Профессор Атала об органах «из пробирки» и науке в США и России. Фабрика жизни: Стволовые клетки

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 тексте 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 вырастить 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

Исслед ователи 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

В настоящее время врачи завершают работу над созданием искусственных маток, в которых эмбрионы смогут развиваться вне материнского тела. Эта работа рассматривается, как настоящий прорыв в борьбе с бездетностью, отмечается в сегодняшней статье влиятельной британской газеты Guardian.

Ученым удалось создать прототип женского лона, полученный из клеток взятых из организма женщин. Эмбрионы успешно приживаются, прикрепляясь к стенкам лабораторных маток, и начинают активно развиваться. Однако, эксперименты пока прекращают на стадии нескольких дней роста эмбриона, поскольку эти опыты находится противоречии с законом об искусственном оплодотворении.

Искусственные матки-капсулы возможно будут выглядеть таким образом

"Мы надеемся завершить процесс создания искусственных маток с использованием открытой нами методики уже через несколько лет", - заявила доктор Хан-Чин Лиу из Центра репродуктивной медицины и искусственного осеменения Корнельского университета. – Теперь женщины, страдающие дефектом матки или ее недоразвитием, впервые смогут иметь собственных детей".

Очевидный прогресс в этой области одновременно ставит ученых в трудное положение. С одной стороны, искусственные матки, наконец, положат конец различным проблемам, связанным с деторождением, но, в другой стороны, они же создадут массу проблем этического характера, которым посвящена крупнейшая научная конференция "Конец естественному материнству?" открывающаяся в Оклахоме на будущей недели.

Масло в огонь подливают воинствующие феминистки, которые заявляют о том, что с появлением искусственных маток мужчины смогут полностью отказаться от женщин, убрав их с лица земли, но, сохранив возможность, воспроизводить женские особи.

Работа доктора Лиу заключается в правильном отделении клеток, выстилающих женское лоно, и выращивании их в лабораторных условиях, используя гормоны и иные факторы роста.

Вслед за этим доктор Лиу с коллегами выращивают целый покров этих клеток на остовах биоразрушаемых материалов, которые по форме полностью напоминают внутреннее строение женского лона. Клетки постепенно разрастаются, создавая ткань, а материал, послуживший им основой, саморазрушается под их воздействием. Затем в искусственно созданную ткань добавляют питательные вещества и гормоны, такие как эстроген.

Наконец, берутся эмбрионы, оставшиеся от программ по искусственному осеменению и вводятся во внутрь выращенных маток. Эмбрионы прикрепляются к стенкам искусственного лона и начинают расти.

Пока опыты прерывают на шестой день. Однако, в ближайшее время доктор Лиу планирует продолжить свой эксперимент, выращивая эмбрионы в течение 14 дней. Этот срок максимально разрешен законом для проведения абортов. "Для нас важно посмотреть, сможет ли у эмбрионов развиваться венозная система, а также смогут ли клетки развивать примитивную плаценту", - отмечают врачи.

Следующий этап исследования – опыты с искусственными матками собак и мышей. Если эти эксперименты окажутся удачными, ученые будут добиваться разрешения на продление срока развития человеческого зародыша.

Несколько другую методику используют японские ученые из Токийского университета. Группа профессора Йосинори Кувабара извлекает матки у коз и помещает их в стерильные пластиковые емкости, заполненные амниотической жидкостью (околоплодными водами), в которой постоянно поддерживается температура тела. Исследователи поддерживают жизнеспособность козьей матки и выращивают ее в течение 10 дней, подавая в емкости питательные вещества.

Опыты японской группы направлены на помощь тем женщинам, которые страдают от выкидышей или преждевременных родов, не имея возможности выносить плод положенный срок.

Вместе с тем, обе группы специалистов убеждены, что в искусственных матках можно выращивать зародыши все положенные девять месяцев. Ученые утверждают, что это станет возможным уже в ближайшие несколько лет. Искусственное выращивание детей даст возможность и однополым парам иметь своих собственных детей.

Пока вокруг этих опытов наворачивают массу этических проблем,ученые продолжают работу, надеясь подарить радость материнствам тем, кого природа лишила этого счастья.

По мнению некоторых футуристов, вынашивание ребенка в искусственной матке вне человеческого тела получит широкое распространение уже через 30 лет. Сторонники эктогенеза, отвергающие естественный отбор, уже проводят эксперименты по выращиванию эмбрионов животных в утробе, прикрепленной к искусственной плаценте.

Сторонники эктогенеза считают, технология позволит уменьшить количество смертей при родах, поскольку плод будет находиться под постоянным контролем. Противники направления опасаются, что неестественный способ рождения ребенка приведет к переосмыслению социальных ролей, а отсутствие контакта с матерью отрицательно скажется на развитии ребенка.

Эктогенез предполагает бестелесное выращивание организма. Технологию применяют к животным и бактериям. Для создания искусственной утробы нужна искусственная матка, которая обеспечит плод питанием, и амниотическая жидкость для удаления отходов из развивающегося организма. Всё это подключается к компьютеру, который полностью контролирует развитие плода.

Альтернативный метод воспроизводства может подойти женщинам, имеющим проблемы с зачатием и вынашиванием ребенка. Эктогенез также позволит отказаться от суррогатного материнства и обзавестись детьми в любом возрасте.

С другой стороны, женщинам, решившим сделать аборт, будет предложено поместить эмбрион в искусственную матку для последующего выращивания. После рождения этот ребенок может быть передан в приемную семью. С развитием эктогенеза также изменится представление о традиционной семье - одиноких родителей станет больше.

Американо-венгерский футуролог Золтан Иcтван рассказал в интервью интернет-изданию Motherboard, что использование технологий эктогенеза станет возможным в течение ближайших 20 лет. А уже через 30 лет, по его мнению, бестелесное выращивание людей будет поставлено на поток. Иcтван отмечает, что большая часть необходимых для этого технологий уже существует, процесс затягивают юридические вопросы и проблемы нравственного и этического характера. Ну а там подоспеет и искусственный интеллект .

Ученые впервые смогли вырастить живую конечность в лабораторных условиях. Когда пришитая к телу крысы конечность наполнилась кровью, животное начало шевелить своей новой лапой. Достижение Массачусетской общей больницы (Massachusetts General Hospital) позволит по требованию выращивать замену ампутированным конечностям.

Эксперты в области регенерации органов и частей тела высоко оценили достижение своих коллег, назвав это превращение фантастики в реальность. Авторы исследования, в свою очередь, заявили, что разработанная ими технология позволяет выращивать как верхние, так и нижние конечности.

Сейчас люди, потерявшие свои конечности из-за болезни, несчастного случая или в ходе военных действий, могут восстановить свои утраченные части тела с помощью протезирования или трансплантации. Однако движения высокотехнологичных протезов все еще выглядят не настолько естественно, как хотелось бы. В случае пересадки конечностей пациенты должны принимать мощные иммунодепрессанты, которые ослабляют иммунную систему. Это нужно для того, чтобы организм не отторг трансплантат.

Ученые обещают, что конечности, выращенные в лабораторных условиях, будут выглядеть более естественно, а их движения будут отличаться повышенной плавностью. А поскольку они создаются из собственных клеток пациента, им не требуется иммунодепрессия.

Каркасом для новой конечности послужила лапа мертвой крысы. Ее обработали специальным раствором, чтобы остановить деление клеток. Затем рабочий материал поместили в контейнер с добавлением здоровых кровеносных сосудов, мышечных клеток, необходимых питательных веществ и кислорода. Спустя две-три недели, как пишет New Scientist, конечность была восстановлена.

После присоединения к телу живой крысы конечность быстро наполнилась кровью. Крыса смогла управлять своей новой лапой.

Ученые говорят, что еще предстоит проделать немало работы, прежде чем они будут готовы тестировать выращенные в пробирке конечности на человеке. По их оценкам, на это уйдет как минимум десять лет.

По мнению некоторых футуристов, уже через 30 лет людей начнут массово выращивать вне тела.

В В Е Д Е Н И Е

Выращивание органов и его альтернативы

Многие болезни, в том числе, угрожающие жизни человека, связаны с нарушениями в деятельности конкретного органа (например, почечная недостаточность, сердечная недостаточность, сахарный диабет и др.). Далеко не во всех случаях эти нарушения можно исправить с помощью традиционных фармакологических или хирургических воздействий.

Существует ряд альтернативных способов того, как восстановить функции органов пациентам в случае серьёзного поражения:

1) Стимуляция процессов регенерации в организме. Кроме фармакологических воздействий в практике применяется процедура введения в организм стволовых клеток, которые имеют способность к превращению в полноценные функциональные клетки организма. Уже получены положительные результаты при лечении с помощью стволовых клеток самых разных заболеваний, в том числе, наиболее распространенных в обществе заболеваний, таких, как инфаркты, инсульты, нейродегенеративные заболевания, диабет и другие. Однако ясно, что такой способ лечения применим лишь для устранения относительно небольших повреждений органов.

2) Восполнение функций органов с помощью аппаратов не биологического происхождения. Это могут быть крупных размеров аппараты, к которым больные подключаются на определенное время (например, аппараты для гемодиализа при почечной недостаточности). Также имеются модели носимых устройств, или устройств, имплантируемых внутрь организма (существуют варианты сделать это, оставив собственный орган пациента, однако, иногда его удаляют, и аппарат полностью берёт на себя его функции, как в случае использования искусственного сердца AbioCor ). Подобные приспособления в ряде случаев используют на время ожидания появления необходимого донорского органа. Пока не биологические аналоги значительно уступают по совершенству естественным органам.

3) Использование донорских органов. Донорские органы, пересаживаемые от одного человека к другому, уже широко и порою успешно применяются в клинической практике. Однако это направление сталкивается с рядом проблем, таких, как серьёзный дефицит донорских органов, проблема реакции отторжения чужого органа иммунной системой и др. Уже были попытки пересаживать человеку органы животных (это называется ксенотрансплантацией), но пока успехи в применении такого способа скромные и в регулярную практику он не внедрён. Однако ведутся исследования с целью повысить эффективность ксенотрансплантации, например, посредством генетической модификации.

4) Выращивание органов. Органы могут выращиваться искусственно как в теле человека, так и вне организма. В ряде случаев имеется возможность выращивать орган из клеток того человека, которому его собираются трансплантировать. Разработан ряд методов выращивания биологических органов, например, с помощью специальных приборов, работающих по принципу 3D принтера. К рассматриваемому направлению можно отнести предложение о возможности выращивания, для замены повреждённого тела человека с сохранившимся мозгом, самостоятельно развивающегося организма, клона - “растения” (с отключенной способностью мыслить).

Среди перечисленных четырёх вариантов решения проблемы недостаточности функций органов именно их выращивание может быть наиболее естественным для организма способом восстановления при крупных повреждениях.

В настоящем тексте приводится информация о существующих достижениях в выращивании биологических органов.

Д О С Т И Ж Е Н И Я И П Е Р С П Е К Т И В Ы В В Ы Р А Щ И В А Н И И О Т Д Е Л Ь Н Ы Х О Р Г А Н О В

Д Л Я Н У Ж Д М Е Д И Ц И Н Ы

Выращивание тканей

Выращивание простых тканей – уже существующая и использующаяся в практике технология.

Кожа

Восстановление повреждённых участков кожи уже является частью клинической практики. В ряде случаев используются методы регенерации кожи самого человека, например, пострадавшего от ожога посредством специальных воздействий. Это например разработанный Р.Р. Рахматуллиным биопластический материал гиаматрикс 1 , или биокол 2 , разработанный коллективом под руководством Б.К. Гаврилюка. Для выращивания кожи на месте ожога также используются специальные гидрогели 3 .

Также развиваются методы распечатки фрагментов ткани кожи с помощью специальных принтеров. Созданием таких технологий занимаются, например, разработчики из американских центров регенерационной медицины AFIRM 4 и WFIRM 5 .

Доктор Герлах (Jorg Gerlach) с коллегами из Института регенеративной медицины при Университете Питсбурга (Institute for Regenerative Medicine at the University of Pittsburg) изобрели устройство для пересадки кожи, которое поможет людям быстрее излечиться от ожогов различной степени тяжести. Skin Gun распыляет на поврежденную кожу пострадавшего раствор с его же стволовыми клетками. На данный момент новый метод лечения находится на экспериментальной стадии, но результаты уже впечатляют: тяжелые ожоги заживают буквально за пару дней. 6

Кости

Группа сотрудников Колумбийского университета под руководством Горданы Вуньяк-Новакович (Gordana Vunjak-Novakovic) получила из стволовых клеток, засеянных на каркас, фрагмент кости, аналогичный части височно-нижнечелюстного сустава. 7

Учёные израильской компании Bonus Biogroup 8 (основатель и исполнительный директор - Шай Мерецки, Shai Meretzki ) разрабатывают методы выращивания человеческой кости из жировой ткани пациента, полученной посредством липосакции. Выращенную таким образом кость уже удалось успешно пересадить в лапу крысы.

Зубы

Итальянским ученым из University of Udine удалось показать, что полученная из единственной клетки жировой ткани популяция мезенхимальных стволовых клеток invitro даже в отсутствие специфического структурного матрикса или подложки может быть дифференцирована в структуру, напоминающую зубной зачаток. 9

В Токийском университете учёные вырастили из стволовых клеток мышей полноценные зубы, имеющие зубные кости и соединительные волокна, и успешно трансплантировали их в челюсти животных. 10

Хрящи

Специалистам из Медицинского центра Колумбийского университета (Columbia University Medical Center) под руководством Джереми Мао (Jeremy Mao) удалось добиться восстановления суставных хрящей кроликов.

Сначала исследователи удалили животным хрящевую ткань плечевого сустава, а также находящийся под ней слой костной ткани. Затем на место удаленных тканей им были помещены коллагеновые каркасы.

У тех животных, у которых каркасы содержали трансформирующий фактор роста - белок, который контролирует дифференцировку и рост клеток, вновь сформировалась костная и хрящевая ткань на плечевых костях, а движения в суставе полностью восстановились. 11

Группе американских ученых из The University of Texasat Austin удалось продвинуться в создании хрящевой ткани с меняющимися в разных участках механическими свойствами и составом внеклеточного матрикса. 12

В 1997 году, Хирургу Джею Ваканти (Jay Vscanti) из Главной больницы Массачусетса в Бостоне удалось вырастить на спине у мыши человеческое ухо, используя клетки хряща. 13

Медики Университета Джона Хопкинса удалили пораженное опухолью ухо и часть черепной кости у 42-летней женщины, страдающей раком. Используя хрящевую ткань из грудной клетки, кожу и сосуды из других частей тела пациентки, они вырастили ей искусственное ухо на руке и затем пересадили в нужное место. 14

Сосуды

Исследователи из группы профессора Ин Чжэн (Ying Zheng) вырастили в лаборатории полноценные сосуды, научившись управлять их ростом и формировать из них сложные структуры. Сосуды формируют ветвления, нормальным образом реагируют на суживающие вещества, транспортируя кровь даже через острые углы. 15

Ученые во главе с заведующим кафедрой в Университете Райса Дженнифер Вест (Jennifer West) и молекулярным физиологом из Медицинского колледжа Бэйлора (Baylor College of Medicine - BCM) Мэри Дикинсон (Mary Dickinson) нашли свой способ выращивать кровеносные сосуды, в том числе капилляры с использованием в качестве базового материала полиэтиленгликоля (PEG) – нетоксичного пластика. Ученые модифицировали PEG, имитируя экстрацеллюлярный матрикс организма.

Затем они соединили его с двумя видами клеток, необходимыми для образования кровеносных сосудов. Используя свет, превращающий полимерные нити PEG в трехмерный гель, они получили мягкий гидрогель, содержащий живые клетки и ростовые факторы. В результате ученые смогли наблюдать за тем, как клетки медленно образуют капилляры во всей массе геля.

Чтобы протестировать новые сети кровеносных сосудов, ученые имплантировали гидрогели в роговицу глаза мышей, где отсутствует естественное кровоснабжение. Введение красителя в кровь животных подтвердило существование нормального кровотока во вновь образовавшихся капиллярах. 16

Шведские врачи из университета Готенбурга под руководством профессора Сухитры Сумитран-Хольгешон (Suchitra Sumitran-Holgersson) впервые в мире провели операцию по пересадке вены, выращенной из стволовых клеток пациента. 17

Участок подвздошной вены длиной около 9 сантиметров, полученный от умершего донора, был очищен от донорских клеток. Внутрь оставшегося белкового каркаса поместили стволовые клетки девочки. Через две недели была проведена операция по пересадке вены с выросшей в ней гладкой мускулатурой и эндотелием.

Прошло больше года с момента операции, антител к трансплантату в крови пациентки обнаружено не было и самочувствие ребёнка улучшилось.

Мышцы

Сотрудники Вустерского политехнического института (США) успешно ликвидировали большую рану в мышечной ткани у мышей путём выращивания и вживления состоящих из белкового полимера фибрина микронитей, покрытых слоем человеческих мышечных клеток. 18

Израильские ученые из Technion-Israel Institute of Technology исследуют необходимую степень васкуляризации и организации ткани invitro, позволяющую улучшить приживаемость и интеграцию тканеинженерного васкуляризированного мышечного импланта в организме реципиента. 19

Кровь

Исследователи из Университета Пьера и Марии Кюри в Париже под руководством Люка Дуая (Luc Douay) впервые в мировой практике успешно испытали на людях-добровольцах искусственную кровь, выращенную из стволовых клеток.

Каждый из участников эксперимента получил по 10 миллиардов эритроцитов, что эквивалентно примерно двум миллилитрам крови. Уровни выживаемости полученных клеток оказались сопоставимы с аналогичными показателями обычных эритроцитов. 20

Костный мозг

Искусственный костный мозг, предназначенный для производства in vitro клеток крови, впервые успешно был создан исследователями в лаборатории химической инженерии Мичиганского Университета (University of Michigan ) под руководством Николая Котова (Nicholas Kotov ). С его помощью уже можно получать гемопоэтические стволовые клетки и В-лимфоциты – клетки иммунной системы, продуцирующие антитела. 21

Выращивание сложных органов

Мочевой пузырь.

Доктор Энтони Атала (Anthony Atala) и его коллеги из американского университета Вэйк Форест (Wake Forest University) занимаются выращиванием мочевых пузырей из собственных клеток пациентов и их трансплантацией пациентам. 22 Они отобрали нескольких пациентов и взяли у них биопсию пузыря - образцы мышечных волокон и уротелиальных клеток. Эти клетки размножались семь-восемь недель в чашках Петри на имеющем форму пузыря основании. Затем выращенные таким способом органы были вшиты в организмы пациентов. Наблюдения за пациентами в течении нескольких лет показали, что органы функционировали благополучно, без негативных эффектов, характерных для более старых методов лечения. Фактически это первый случай, когда достаточно сложный орган, а не простые ткани, такие, как кожа и кости, был искусственно выращен in vitro и пересажен в человеческий организм. Так же этот коллектив разрабатывает методы выращивания других тканей и органов.

Трахея.

Испанские хирурги провели первую в мире трансплантацию трахеи, выращенной из стволовых клеток пациентки - 30-летней Клаудии Кастильо (Claudia Castillo). Орган был выращен в университете Бристоля (University of Bristol) на основе донорского каркаса из коллагеновых волокон. Операцию провёл профессор Паоло Маккиарини (Paolo Macchiarini) из госпиталя Барселоны (Hospital Clínic de Barcelona). 23

Профессор Маккиарини активно сотрудничает с Российскими исследователями, что позволило сделать первые операции по пересадке выращенной трахеи в России. 24

Почки

Компания Advanced Cell Technology в 2002 г. сообщила об успешном выращивании полноценной почки из одной клетки, взятой из уха коровы с использованием технологии клонирования для получения стволовых клеток. Применяя специальное вещество, стволовые клетки превратили в почечные.

Ткань вырастили на каркасе из саморазрушающегося материала, созданного в Гарвардской медицинской школе и имеющего форму обычной почки.

Полученные в результате почки около 5 см в длину были имплантированы корове рядом с основными органами. В результате искусственная почка успешно начала вырабатывать мочу. 25

Печень

Американские специалисты из Массачусетской больницы общего профиля (Massachusetts General Hospital) под руководством Коркута Югуна (Korkut Uygun) успешно пересадили нескольким крысам печень, выращенную в лаборатории из их собственных клеток.

Исследователи удалили печени у пяти лабораторных крыс, очистили их от клеток хозяина, получив, таким образом, соединительнотканные каркасы органов. Затем в каждый из пяти полученных каркасов исследователи ввели примерно по 50 миллионов клеток печени, взятых у крыс-реципиентов. В течение двух недель на каждом из заселенных клетками каркасов сформировалась полностью функционирующая печень. После чего выращенные в лаборатории органы были успешно пересажены пяти крысам. 26

Сердце

Ученые из британского госпиталя Хэафилд под руководством Мегди Якуба впервые в истории вырастили часть сердца, использовав в качестве "строительного материала" стволовые клетки. Врачи вырастили ткань, которая работала в точности как сердечные клапаны, ответственные за кровоток в организме людей. 27

Ученые из University of Rostock (Германия) использовали технологию лазерного переноса-печатания клеток (Laser-Induced-Forward-Transfer (LIFT) cellprinting) для изготовления “заплатки”, предназначенной для регенерации сердца. 28

Легкие

Американские ученые из Йельского университета (Yale University) под руководством Лауры Никласон (Laura Niklason) вырастили в лаборатории легкие (на донорском внеклеточном матриксе).

Матрикс был заполнен клетками эпителия легких и внутренней оболочки кровеносных сосудов, взятых у других особей. С помощью культивации в биореакторе исследователям удалось вырастить новые легкие, которые затем пересадили нескольким крысам.

Орган нормально функционировал у разных особей от 45 минут до двух часов после трансплантации. Однако после этого в сосудах легких начали образовываться тромбы. Кроме того, исследователи зафиксировали утечку небольшого количества крови в просвет органа. Тем не менее, исследователям впервые удалось продемонстрировать потенциал регенеративной медицины для трансплантации лёгких. 29

Кишечник

Группе японских исследователей из Медицинского университета Нара (Nara Medical University ) под руководством Есиюки Накадзимы (Yoshiyuki Nakajima ) удалось создать фрагмент кишечника мыши из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток.

Его функциональные особенности, структура мышц, нервных клеток соответствуют обычному кишечнику. Например, он мог сокращаться для перемещения пищи. 30

Поджелудочная железа

Исследователи израильского института Technion, работающие под руководством профессора Шуламит Левенберг (Shulamit Levenberg), разработали метод выращивания ткани поджелудочной железы, содержащей секреторные клетки, окруженные трехмерной сетью кровеносных сосудов.

Трансплантация такой ткани мышам с диабетом приводила к значительному снижению уровней глюкозы в крови животных. 31

Тимус

Ученые из University of Connecticut Health Center (США) разработали метод направленной дифференцировки invitro мышиных эмбриональных стволовых клеток (ЭСК) в клетки-предшественники эпителия тимуса (ПЭТ), которые invivo дифференцировались в клетки тимуса, и восстанавливали его нормальное строение. 32

Предстательная железа

Ученые Пру Кауин, профессор Гейл Рисбриджер и доктор Рения Тейлор из Мельбурнского института медицинских исследований Monash, стали первыми, кому с помощью стволовых эмбриональных клеток удалось вырастить человеческую простату в теле мыши. 33

Яичник

Группе специалистов под руководством Сандры Карсон (Sandra Carson ) из университета Брауна удалось вырастить первые яйцеклетки в органе, созданном в лаборатории: пройден путь от стадии «молодого граафова пузырька» до полного взросления. 34

Пенис, уретра

Исследователям из Института регенеративной медицины Уэйк-Фореста (Северная Каролина, США) под руководством Энтони Атала (Anthony Atala) удалось вырастить и успешно пересадить пенисы кроликам. После операции функции пенисов восстановились, кролики оплодотворили самок, у них родилось потомство. 35

Ученые из Университета Уэйк-Форест в Уинстон-Сейлеме, штат Северная Каролина, вырастили мочеиспускательные каналы из собственных тканей больных. В эксперименте они помогли пятерым подросткам восстановить целостность поврежденных каналов. 36

Глаза, роговицы, сетчатки

Биологи из Токийского университета имплантировали в глазницу лягушки, из которой было удалено глазное яблоко, эмбриональные стволовые клетки. Затем глазницу заполнили специальной питательной средой, обеспечивавшей питание клеток. Через несколько недель эмбриональные клетки переросли в новое глазное яблоко. Причем восстановился не только глаз, но и зрение. Новое глазное яблоко срослось со зрительным нервом и питающими артериями, полностью заместив прежний орган зрения. 37

Учeные из Caлгрeнcкoй Aкaдeмии в Швeции (The Sahlgrenska Academy) впeрвыe уcпeшно культивирoвaли из cтвoлoвых клeтoк чeлoвeчecкую рoгoвицу. Этo в будущeм пoмoжeт избeжaть дoлгoго oжидaния дoнoрcкoй роговицы. 38

Исследователи университета Калифорнии в Ирвине, работающие под руководством Ганса Кайрштеда (Hans Keirstead ), вырастили из стволовых клеток в лабораторных условиях восьмислойную сетчатку, что поможет в разработке готовых к трансплантации сетчаток для лечения таких ведущих к слепоте заболеваний, как пигментный ретинит и макулярная дегенерация. Сейчас они проверяют возможность трансплантации такой сетчатки на животных моделях. 39

Нервные ткани

Исследователи Центра биологии развития RIKEN, Кобе, Япония под руководством Йошики Сасаи разработали методику выращивания гипофиза из стволовых клеток, который успешно имплантировали мышам. Проблему создания двух типов тканей ученые решили воздействуя на мышиные эмбриональные стволовые клетки веществами, создающими среду, похожую на ту, в которой формируется гипофиз развивающегося эмбриона, и обеспечили обильное снабжение клеток кислородом. В результате клетки сформировали трехмерную структуру, внешне сходную с гипофизом, содержащую комплекс эндокринных клеток, секретирующих гипофизарные гормоны. 40

Ученые лаборатории клеточных технологий Нижегородской государственной медицинской академии сумели вырастить нейронную сеть, фактически фрагмент мозга. 41

Вырастили они нейронную сеть на специальных матрицах – многоэлектродных подложках, которые позволяют снимать электрическую активность этих нейронов на всех этапах роста.

З А К Л Ю Ч Е Н И Е

Приведённый обзор публикаций показывает, что уже имеются существенные достижения в использовании выращивания органов для лечения людей не только простейших тканей, таких, как кожа и кости, но и достаточно сложных органов, таких, как мочевой пузырь, или трахея. Технологии выращивания ещё более сложных органов (сердце, печень, глаз и др.) пока отрабатываются на животных. Кроме применения в трансплантологии, такие органы могут послужить, например, для экспериментов, заменяющих некоторые эксперименты на лабораторных животных, или же для нужд искусства (как это сделал вышеупомянутый Дж. Ваканти). Ежегодно в области выращивания органов появляются новые результаты. По прогнозам учёных разработка и внедрение техники выращивания сложных органов – вопрос времени и велика вероятность, что уже в ближайшие десятилетия техника будет отработана настолько, что выращивание сложных органов будет широко использоваться в медицине, вытеснив наиболее распространённый сейчас метод трансплантации от доноров.

Источники информации.

1Биоинженерная модель биопластического материала «гиаматрикс» Рахматуллин Р.Р., Барышева Е.С., Рахматуллина Л.Р. // Успехи современного естествознания. 2010. № 9. С. 245-246.

2Система «биокол» для регенерации ран. Гаврилюк Б.К., Гаврилюк В.Б.// Технологии живых систем. 2011. № 8. С. 79-82.

3 Sun, G., Zhang, X., Shen, Y., Sebastian, R., Dickinson, L. E., Fox-Talbot, K., et al. Dextran hydrogel scaffolds enhance angiogenic responses and promote complete skin regeneration during burn wound healing. // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 108(52), 20976-20981.

7Grayson WL, Frohlich M, Yeager K, Bhumiratana S, Chan ME, Cannizzaro C, Wan LQ, Liu XS, Guo XE, Vunjak-Novakovic G: Engineering anatomically shaped human bone grafts. // Proc Natl Acad Sci U S A 2010, 107:3299-3304.

9Ferro F, etal. Adipose tissue-derived stem cell in vitro differentiation in a three-dimensional dental bud structure.Am J Pathol. 2011 May;178(5):2299-310.

10Oshima M, Mizuno M, Imamura A, Ogawa M, Yasukawa M, et al. (2011) Functional Tooth Regeneration Using a Bioengineered Tooth Unit as a Mature Organ Replacement Regenerative Therapy. // PLoS ONE 6(7): e21531.

11Chang H Lee, James L Cook, Avital Mendelson, Eduardo K Moioli, Hai Yao, Jeremy J Mao Regeneration of the articular surface of the rabbit synovial joint by cell homing: a proof of concept study // The Lancet, Volume 376, Issue 9739, Pages 440 - 448, 7 August 2010

16Saik, Jennifer E. and Gould, Daniel J. and Watkins, Emily M. and Dickinson, Mary E. and West, Jennifer L., Covalently immobilized platelet-derived growth factor-BB promotes antiogenesis in biomirnetic poly(ethylene glycol) hydrogels, ACTA BIOMATERIALIA, vol 7 no. 1 (2011), pp. 133--143

17Michael Olausson, Pradeep B Patil, Vijay Kumar Kuna, Priti Chougule, Nidia Hernandez, Ketaki Methe, Carola Kullberg-Lindh, Helena Borg, Hasse Ejnell, Prof Suchitra Sumitran-Holgersson. Transplantation of an allogeneic vein bioengineered with autologous stem cells: a proof-of-concept study. // The Lancet, Volume 380, Issue 9838, Pages 230 - 237, 21 July 2012

18Megan K. Proulx, Shawn P. Carey, Lisa M. DiTroia, Craig M. Jones, Michael Fakharzadeh, Jacques P. Guyette, Amanda L. Clement, Robert G. Orr, Marsha W. Rolle, George D. Pins, Glenn R. Gaudette. Fibrin microthreads support mesenchymal stem cell growth while maintaining differentiation potential. // Journal of Biomedical Materials Research Part A Volume 96A, Issue 2, pages 301–312, February 2011

19KofflerJ, etal. Improved vascular organization enhances functional integration of engineered skeletal muscle grafts.Proc Natl Acad Sci U S A.2011 Sep 6;108(36):14789-94. Epub 2011 Aug 30.

20Giarratana, et al. Proof of principle for transfusion of in vitro-generated red blood cells. // Blood 2011, 118: 5071-5079;

21Joan E. Nichols, Joaquin Cortiella, Jungwoo Lee, Jean A. Niles, Meghan Cuddihy, Shaopeng Wang, Joseph Bielitzki, Andrea Cantu, Ron Mlcak, Esther Valdivia, Ryan Yancy, Matthew L. McClure, Nicholas A. Kotov. In vitro analog of human bone marrow from 3D scaffolds with biomimetic inverted colloidal crystal geometry. // Biomaterials, Volume 30, Issue 6, February 2009, Pages 1071-1079 Organ reengineering through development of a transplantable recellularized liver graft using decellularized liver matrix. // Nature Medicine 16, 814–820 (2010)

27Philosophical Transactions of the Royal Society. Bioengineering the Heart issue. Eds Magdi Yacoub and Robert Nerem. 2007 vol 362(1484): 1251-1518.

28GaebelR, etal. Patterning human stem cells and endothelial cells with laser printing for cardiac regeneration.Biomaterials. 2011 Sep 10.

29Thomas H. Petersen, Elizabeth A. Calle, Liping Zhao, Eun Jung Lee, Liqiong Gui, MichaSam B. Raredon, Kseniya Gavrilov, Tai Yi, Zhen W. Zhuang, Christopher Breuer, Erica Herzog, Laura E. Niklason. Tissue-Engineered Lungs for in Vivo Implantation. // Science 30 July 2010: Vol. 329 no. 5991 pp. 538-541

30Takatsugu Yamada, Hiromichi Kanehiro, Takeshi Ueda, Daisuke Hokuto, Fumikazu Koyama, Yoshiyuki Nakajima. Generation of Functional Gut ("iGut") From Mouse Induced Pluripotent Stem Cells. // SBE"s 2nd International Conference on Stem Cell Engineering (2-5 May 2010) in Boston (MA), USA.

31Keren Kaufman-Francis, Jacob Koffler, Noa Weinberg, Yuval Dor, Shulamit Levenberg. Engineered Vascular Beds Provide Key Signals to Pancreatic Hormone-Producing Cells. // PLoS ONE 7(7): e40741.

32Lai L, etal. Mouse embryonic stem cell-derived thymic epithelial cell progenitors enhance T-cell reconstitution after allogeneic bone marrow transplantation.Blood.2011 Jul 26.

33Renea A Taylor, Prue A Cowin, Gerald R Cunha, Martin Pera, Alan O Trounson, + et al. Formation of human prostate tissue from embryonic stem cells. // Nature Methods 3, 179-181

34Stephan P. Krotz, Jared C. Robins, Toni-Marie Ferruccio, Richard Moore, Margaret M. Steinhoff, Jeffrey R. Morgan and Sandra Carson. In vitro maturation of oocytes via the pre-fabricated self-assembled artificial human ovary. // JOURNAL OF ASSISTED REPRODUCTION AND GENETICS Volume 27, Number 12 (2010), 743-750.

36Atlantida Raya-Rivera MD, Diego R Esquiliano MD, James J Yoo MD, Prof Esther Lopez-Bayghen PhD, Shay Soker PhD, Prof Anthony Atala MD Tissue-engineered autologous urethras for patients who need reconstruction: an observational study // The Lancet, Vol. 377 No. 9772 pp 1175-1182

38Charles Hanson, Thorir Hardarson, Catharina Ellerström, Markus Nordberg, Gunilla Caisander, Mahendra Rao, Johan Hyllner, Ulf Stenevi, Transplantation of human embryonic stem cells onto a partially wounded human cornea in vitro // Acta Ophthalmologica, Acta Ophthalmologica on 27 January 2012, DOI: 10.1111/j.1755-3768.2011.02358.x

39Gabriel Nistor, Magdalene J. Seiler, Fengrong Yan, David Ferguson, Hans S. Keirstead. Three-dimensional early retinal progenitor 3D tissue constructs derived from human embryonic stem cells. // Journal of Neuroscience Methods, Volume 190, Issue 1, 30 June 2010, Pages 63–70

40Hidetaka Suga, Taisuke Kadoshima, Maki Minaguchi, Masatoshi Ohgushi, Mika Soen, Tokushige Nakano, Nozomu Takata, Takafumi Wataya, Keiko Muguruma, Hiroyuki Miyoshi, Shigenobu Yonemura, Yutaka Oiso & Yoshiki Sasai. Self-formation of functional adenohypophysis in three-dimensional culture. // Nature 480, 57–62 (01 December 2011)

41Мухина И.В., Хаспеков Л.Г. Новые технологии в экспериментальной нейробиологии: нейронные сети на мультиэлектродной матрице. Анналы клинической и экспериментальной неврологии. 2010. №2. С. 44-51.

В Москве начался двухнедельный научно-популярный фестиваль «Жизнь. Версия науки». В Политехническом музее пройдут лекции известных российских и зарубежных ученых, которые расскажут о том, что наука сегодня знает об эволюции живого и какие перспективы обрело человечество благодаря открытиям последних 30 лет в области биологии и нейрофизиологии. В программе фестиваля также многочисленные выставки футуристического искусства в жанре science art, которые пройдут в центре современного искусства «Винзавод».

Фестиваль открылся лекцией профессора Энтони Атала, эксперта в области регенеративной медицины, выращивания человеческих клеток, тканей и органов. Атала — директор Института регенеративной медицины Уэйк Форест (Северная Каролина, США), практикующий хирург и исследователь. Журнал Scientific American назвал его «врачом года» (Medical Treatments Leader of the Year) за достижения в области регенерации клеток, тканей и органов. В 2008 году журнал Esquire включил его в число 75 самых влиятельных людей XXI столетия.

Накануне выступления профессор Атала рассказал корреспонденту «Газеты.Ru» о своей работе, а также поделился впечатлениями о Москве и о российских ученых.

— Это ваш первый визит в Москву? Как вам город?
— Да, я в первый раз в Москве и в России, и мне здесь очень нравится. Москва — чудесный, очень красивый город!

— В вашем институте есть русские аспиранты или постдоки?
— Конкретно сейчас нет, но раньше у меня работали несколько русских ребят. Сейчас они, правда, продолжают работать в США, в Россию они не вернулись. Это очень сильные ребята, с очень высоким уровнем образования, активные исследователи — было приятно с ними работать.

— Как вы считаете, русские исследователи в России могли бы вести работы на таком же высоком уровне, как вы в США?
— Конечно могли бы. Здесь, в России, им очень не хватает материальных ресурсов, финансирования, поддержки государства. Наш центр получает гигантскую поддержку: только пятилетний контракт с Пентагоном принес в институт $85 млн.

Если бы российские ученые в России имели необходимые ресурсы, наука двигалась бы на совершенно другом уровне.

— Как начинались ваши работы по выращиванию органов из тканей?
— Отрасль регенеративной медицины не нова, она зародилась еще в 30-е годы XX века. В течение этих лет исследователи выделили три основные проблемы. Первая: клетки человеческого тела вне самого тела растут по-другому, не так, как внутри тела. Вторая: для создания искусственных органов нужны особые биосовместимые материалы, которые приживаются в организме пациента, не вызывая отторжения, - что-то вроде хирургической нити для швов. И третья: нам нужно, чтобы имплантируемые органы и ткани интегрировались в систему человеческого тела кровеносными сосудами, так как ни один орган не работает без кровоснабжения.

Мы начали свои работы около 20 лет назад.

Сначала мы научились качественно выращивать клетки вне тела пациента: если сначала мы вообще не умели выращивать клетки мочевого пузыря «в пробирке», то теперь специальные методы позволяют нам взять участок ткани площадью меньше половины почтовой марки и через 60 дней заполнить аналогичными клетками футбольное поле. Второй этап работы - подбор правильных факторов роста, обеспечивающих моделирование естественного роста. И теперь мы можем выращивать клетки самых разных типов вне человеческого организма. Для этого нужно извлечь кусочек ткани из организма, затем в соответствующих условиях размножить клетки и создать условия, в которых они сформируют полноценный орган, нарастая послойно, один слой за другим.

— Какие успехи были достигнуты?
— Первой выращенной тканью была ткань хряща. Это плоская ткань — ее создали достаточно просто. Была хорошая поддержка нашей работы государством, регуляторными органами. После этого мы вырастили кожу - также плоскую ткань, состоящую из одного типа клеток.

Эти медицинские технологии сейчас широко доступны на рынке медицинских услуг.

— А какие работы ведутся «на перспективу»?
— Нам также удалось вырастить сосуды - более сложные образования. Они отличаются тем, что являются уже трубчатыми органами и состоят из двух типов клеток: один из них находится внутри, выстилая внутреннюю поверхность сосуда, а другой снаружи - это мышечные клетки внешних стенок.

Третий тип органов - так называемые полые органы (например, мочевой пузырь и матка), они находятся в постоянном движении и состоят из более двух типов клеток. Эти органы сложнее реконструировать, так как они постоянно контактируют с мозгом и должны быть интегрированы в общую систему. Однако и в выращивании этих органов у нас большой прогресс. Мы берем фрагмент такой ткани у пациента, размножаем его вне организма, затем переносим на каркас из биосовместимого материала, чтобы вырастить полноценный орган, причем один тип клеток покрывает каркас, а другой находится внутри. Через 6-8 недель орган готов для пересадки, и мочевой пузырь мы пересаживаем так же успешно, как и хрящи, однако сама операция в этом случае гораздо сложнее.

Первый мочевой пузырь был пересажен 12 лет назад, первый хрящ - 16 лет назад.

Работы по пересадке мочевого пузыря сейчас находятся в стадии клинических испытаний, всего в каждой из трех стадий по регуляторным правилам США приняли участие 10-20 человек.

— А что дальше? Каковы стратегические цели выращивания органов?
— Существует и четвертый тип органов - это твердые органы, к ним относятся, например, сердце и почки. Они принципиально сложнее: на единицу объема они содержат в разы больше клеток, чем полые, трубчатые или плоские органы. Пока нам удается выращивать их только на основе донорских органов, получаемых в результате смерти человека. Из такого органа мы сначала вымываем все клетки, оставляя лишь «скелет», то есть получаем орган, выглядящий как печень, имеющий форму печени, но печенью не являющийся. Затем на этот «скелет» мы наращиваем наши искусственно выращенные клетки.

Другая технология - 3D-печать твердых органов. В этом случае орган создается прибором, чем-то похожим на струйный принтер, только вместо чернил в него заправлены человеческие клетки разных типов, и процесс печати гораздо сложнее.

Мы надеемся достичь успеха в этой области через несколько лет.

— Сейчас в России набирают популярность банки стволовых клеток пуповинной крови. На ваш взгляд, есть ли смысл хранить кровь ребенка, поможет ли она ему в будущем?
— Все зависит от того, что именно вам нужно. Сейчас существуют технологии лечения рака крови с помощью стволовых клеток пуповинной крови. Соответственно, если в вашей семье есть наследственная вероятность рака крови, то хранить стволовые клетки детей имеет смысл. Если нет - польза на сегодня не очевидна.

Биологам впервые удалось вырастить в пробирке эмбрионы, достигшие стадии внедрения в стенку матки. До этого исследователи получали зародышевые тельца, которые не развивались дальше этого этапа. Теперь специалисты могут создавать удобные платформы для изучения развития животных и человека, а также решить проблемы разработки искусственной утробы. рассказывает о научной работе ученых из Кембриджского университета, опубликованной в журнале Science.

Развитие позвоночных животных от одной клетки до многоклеточного организма - процесс очень сложный. В нем несколько стадий, в результате которых формируются различные группы влияющих друг на друга клеток. Хотя во всех одна и та же ДНК, от их местоположения в зародыше зависит то, какие гены будут активными. Это, в свою очередь, определяет функции клеток в тканях формирующегося организма.

У млекопитающих развитие эмбриона может происходить как в теле матери, так и в яйце (у ехидны и утконоса). Зародыш возникает при оплодотворении ооцита (яйцеклетки). После этого происходит ее дробление - ряд делений с образованием все более мелких клеток (бластомеров). В результате формируется морула - шар, все внутреннее пространство которого заполнено 16-ю бластомерами.

За стадией морулы следует стадия бластоцисты. Бластомеры продолжают делиться, все более уплотняясь и образуя полую сферу. В ней запускается процесс дифференцировки клеток, и образуются два типа клеток: трофобласт, формирующий внешний слой бластоцисты, и эмбриобласт (внутренняя клеточная масса), находящийся внутри нее. Эмбриобласт создает компактное образование у одного из полюсов бластоцисты.

На стадии бластоцисты в клетках зародыша происходят процессы, которые устанавливают оси симметрии, а также регулируют экспрессию генов, что на следующих этапах приведет к формированию различных тканей. Эмбрион, который ранее напоминал сферу, становится асимметричным. Трофобласт дает начало экстраэмбриональным (внезародышевым) тканям, из которых затем образуются плацента, желточный мешок и амнион. Из эмбриобласта развиваются еще две группы клеток - эпибласт и гипобласт.

Из эпибласта в итоге формируется тело будущего организма. Однако это происходит только при том условии, что клетки данной группы взаимодействуют с внезародышевыми тканями. Гипобласт способствует образованию некоторых внезародышевых структур, в том числе примитивной энтодермы, которая дает потом висцеральную энтодерму, окружающую эпибласт и выполняющую регуляторные функции.

После того как бластоциста внедряется в слизистую матки в процессе беременности, структура зародыша меняется, постепенно усложняясь. Клетки эпибласта упорядочиваются, образуя форму розетки. Внутри возникает полость. Трофобласт в это время превращается во внезародышевую эктодерму (ExEc), в которой также есть полость. В конце концов обе полости соединяются. Кроме того, возникают мезодерма и первичные половые клетки, образуется зародышевый цилиндр.

Эпибласт состоит из эмбриональных стволовых клеток (ЭСК), способных дифференцироваться в три зародышевых листка: эктодерму, мезодерму и энтодерму. Клетки этих трех слоев - плюрипотентные, то есть могут превратиться во все типы клеток взрослого организма. Именно поэтому ЭСК используются для создания зародышеподобных структур - эмбриоидов. Они помогают понять механизмы развития плода, однако проблема в том, что в них не воспроизводятся процессы, протекающие in vivo (в живом организме) после внедрения в стенку матки.

Изображение: Magdalena Zernicka-Goetz, University of Cambridge

Ученые решили убедиться в том, что внезародышевые ткани обеспечивают дальнейшее развитие эмбриона, проведя соответствующие эксперименты in vitro (в пробирке). Взяли эмбриональные стволовые клетки и небольшие группы стволовых клеток из трофобласта (ТСК) - предшественников клеток внезародышевых органов. Из них были получены клеточные культуры, имитирующие взаимодействие эпибласта с трофобластом. Связи между клетками осуществлялись через трехмерные внеклеточные структуры из коллагенового матрикса «Матригель».

Матрикс заменял в культуре примитивную энтодерму, обеспечивая поляризацию клеток эпибласта и формирование полости. Оказалось, что в этих условиях ЭСК и ТСК образовывали форму, напоминающую зародышевый цилиндр и характерную для эмбрионов мышей после имплантации. Однако была не только внешняя схожесть. Тщательный анализ морфологии, размера, числа клеток и активности генов, характерных для определенных клеточных линий, показал, что в эмбрионах как in vivo, так и in vitro присутствовали отдельные структуры, полученные из стволовых клеток эпибласта и трофобласта.

Исследователи выделили несколько этапов развития зародыша в пробирке. Сначала наблюдается спонтанная самоорганизация, которая приводит к поляризации клеток и образованию полостей внутри эмбриональной и экстраэмбриональной частей зародыша. Затем полости объединяются в один большой эквивалент проамниотической полости. Потом две группы стволовых клеток взаимодействуют через сигнальный путь Nodal. Сигналами служат белки, участвующие в эмбриональной индукции; они направляют развитие отдельных частей зародыша - например, способствуют формированию нервной системы. Все завершается выделением костного морфогенетического белка, который индуцирует образование клеток, напоминающих первичные половые клетки.

Результаты исследования важны для решения проблемы создания искусственной утробы. В этом устройстве можно было бы вынашивать зародыши без участия живого существа. Однако до сих пор известны не все факторы, влияющие со стороны организма матери на дифференцировку клеток. Например, пока совершенно непонятна роль имплантации бластоцисты. Культивирование плодов in vitro в постимплантационный период невозможно без изучения того, что происходит с клетками зародышей в этот период. Новые эмбриоиды позволят проводить соответствующие исследования.