Тканевая инженерия для стимулирования регенерации кости. Тканевая инженерия в медицине. Что такое тканевая инженерия

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Макеевская общеобразовательная школа I - III ступеней №72

на тему: Тканевая инженерия в медицине

Выполнил:

Шуджаулла Камил

Введение

1.1 Первичные клетки

1.2 Стволовые клетки

3.2 3D-биопринтинг

4. Выращивание тканей

4.7 Костный мозг

5. Выращивание органов

5.1 Мочевой пузырь

5.2 Трахея

5.4 Печень

5.5 Сердце

5.6 Легкие

Заключение

Приложение

Введение

Одним из направлений биотехнологии, которое занимается созданием биологических заместителей тканей и органов, является тканевая инженерия (ТИ).

Тканевая инженерия (англ. tissue engineering) -- создание новых тканей и органов для терапевтической реконструкции поврежденного органа посредством доставки в нужную область опорных структур, клеток, молекулярных и механических сигналов для регенерации.

В настоящее время тканевая инженерия начинает применяться в клинической практике для лечения дегенеративных заболеваний и пороков развития; при ожогах и травмах, при позднем гидро- и уретерогидронефрозе, а также при стоматологических и косметологических операциях.

Современные разработки биомедицины, и в частности тканевой инженерии; могут быть использованы с целью повышения результативности лечения при восстановлении утраченных функционально значимых тканей.

1. Клетки для тканевой инженерии

1.1 Первичные клетки

Первичные клетки -- это зрелые клетки определенной ткани, которые могут быть взяты непосредственно от организма-донора (ex vivo) хирургическим путем. Если первичные клетки взяты у определенного организма-донора, и впоследствии необходимо имплантировать эти клетки ему же в качестве реципиента, то вероятность отторжения имплантированной ткани исключается, поскольку присутствует максимально возможная иммунологическая совместимость первичных клеток и реципиента. Однако первичные клетки, как правило, не способны делиться -- их потенциал к размножению и росту низок.

При культивировании таких клеток in vitro (посредством тканевой инженерии) для некоторых типов клеток возможна дедифференцировка, то есть потеря специфических, индивидуальных свойств. Так, например, хондроциты, вводимые в культуру вне организма, часто продуцируют фиброзный, а не прозрачный хрящ.

Поскольку первичные клетки не способны делиться, и могут потерять свои специфичные свойства, возникла необходимость альтернативных источников клеток для развития технологий клеточной инженерии. Таковой альтернативой стали стволовые клетки.

1.2 Стволовые клетки

Стволовые клетки -- недифференцированные клетки, которые имеют способность к делению, самообновлению и дифференцировке в различные типы специализированных клеток под воздействием конкретных биологических стимулов.

Стволовые клетки подразделяются на «взрослые» и «эмбриональные»

Источником "взрослых" стволовых клеток является пуповинная кровь, собранная после рождения ребенка. Эта кровь очень богата стволовыми клетками. Взяв эту кровь из пуповины ребенка, и поместив в криобанк (специальное хранилище), стволовые клетки в дальнейшем можно использовать для восстановления практически любой ткани и органа этого индивидуума. Возможно также, использовать эти стволовые клетки для лечения других пациентов при условии их совместимости по антигенам. Американские ученые получили стволовые клетки из человеческой плаценты (там, их количество в 10 раз больше, чем в пуповинной крови), которые способны преобразовываться в кожные, кровяные, мышечные и нервные клетки.

Источником другого вида стволовых клеток -- фетальных (эмбриональных) стволовых клеток, является абортивный материал 9--12 недели беременности. Этот источник на сегодняшний день используется наиболее часто. Но, помимо этических и юридических трений, фетальные клетки иногда могут вызвать отторжение трансплантата. Кроме того, использование непроверенного абортивного материала чревато заражением пациента вирусным гепатитом, СПИДом, цитомегаловирусом и т. д.

Для направления организации, поддержания роста и дифференцировки клеток в процессе реконструкции поврежденной ткани необходим специальный носитель клеток -- матрикс, представляющий из себя трехмерную сеть, похожую на губку или пемзу (доп.рис. 3). Для их создания применяют биологически инертные синтетические материалы, материалы на основе природных полимеров (хитозан, альгинат, коллаген) и биокомпозиты. Так, например, эквиваленты костной ткани получают путем направленной дифференцировки стволовых клеток костного мозга, пуповинной крови или жировой ткани в остеобласты, которые затем наносят на различные материалы, поддерживающие их деление (например, донорскую кость, коллагеновые матрицы и др.).

2. Этапы создания искусственных органов

На сегодняшний день одна из стратегий тканевой инженерии такова:

1. Отбор и культивирование собственного или донорского клеточного материала.

Клеточный материал может быть представлен клетками регенерируемой ткани или стволовыми клетками.

2. Разработка специального носителя для клеток (матрицы) на основе биосовместимых материалов

Матрицы могут быть выполнены из различных биосовместимых материалов. Для создания матриц графтов применяют биологически инертные синтетические материалы, материалы на основе природных полимеров (хитозан, альгинат, коллаген), а также биокомпозитные материалы. Например, эквиваленты костной ткани получают путем направленного дифференцирования стволовых клеток костного мозга, пуповинной крови или жировой ткани. Клетки полученной культуры наносятся на матрицу. инженерия ткань орган выращивание

3. Нанесение культуры клеток на матрицу и размножение клеток в биореакторе со специальными условиями культивирования

Где культура инкубируется в течение определенного времени. Первые биореакторы были созданы для получения искусственной печеночной ткани.

4. Непосредственное внедрение графта в область пораженного органа или предварительное размещение в области, хорошо снабжаемой кровью, для дозревания и формирования микроциркуляции внутри графта (префабрикация)

Биоматериалы, используемые для получения матриц, должны быть биологически инертными и после графтинга (перенесения в организм) обеспечивать локализацию нанесенного на них клеточного материала в определенном месте. Большинство биоматериалов тканевой инженерии легко разрушаются (резорбируются) в организме и замещаются его собственными тканями. При этом не должны образовываться промежуточные продукты, обладающие токсичностью, изменяющие рН ткани или ухудшающие рост и дифференцировку клеточной культуры. Нерезорбируемые материалы почти не применяются, т.к. они ограничивают регенерационную активность, вызывают избыточное образование соединительной ткани, провоцируют реакцию на инородное тело (инкапсуляцию)

Живые эквиваленты кожи, содержащие донорские или собственные кожные клетки, в настоящее время широко применяются в США, России, Италии. Эти конструкции позволяют улучшить заживление обширных ожоговых поверхностей. Разработка графтов ведется также в кардиологии (искусственные клапаны сердца, реконструкция крупных сосудов и капиллярных сетей); для восстановления органов дыхания (гортань, трахея и бронхи), тонкого кишечника, печени, органов мочевыделительной системы, желез внутренней секреции и нейронов. Наночастицы металлов в тканевой инженерии используются для контроля роста клеток через воздействие на них магнитными полями разной направленности. Например, таким способом удалось создать не только аналоги структур печени, но и такие сложные структуры, как элементы сетчатки глаза. Также нанокомпозитные материалы, созданные с помощью метода электронно-лучевой литографии (electron beam lithography, EBL), обеспечивают наноразмерную шероховатость поверхности матриц для эффективного формирования костных имплантантов. Создание искусственных тканей и органов позволит отказаться от трансплантации большей части донорских органов, улучшит качество жизни и выживаемость пациентов.

3. Основные методы инженерии тканей

3.1 Имитация естественного органогенеза

Органогенез - процесс формирования органов в ходе эмбрионального развития

Органогенез сопровождается дифференцировкой клеток, тканей, избирательным и неравномерным ростом отдельных органов и частей организма, продолжается в личиночном и завершается в ювенильном периоде

3.2 3D-биопринтинг

Перспективные тканеинженерные технологии открыли возможность лабораторного создания живых тканей и органов, но перед созданием сложных органов наука пока бессильна. Однако сравнительно недавно ученые под руководством доктора Гунтера Товара (Gunter Tovar) из Общества Фраунгофера в Германии сделали огромнейший прорыв в сфере тканевой инженерии -- они разработали технологию создания кровеносных сосудов. А ведь казалось, что капиллярные структуры создать искусственно невозможно, поскольку они должны быть гибкими, эластичными, малой формы и при этом взаимодействовать с естественными тканями. Как ни странно, но на помощь пришли производственные технологии -- метод быстрого прототипирования (другими словами, 3D-печать). Подразумевается, что сложная трехмерная модель (в нашем случае кровеносный сосуд) печатается на трехмерном струйном принтере с использованием специальных «чернил». Принтер наносит материал послойно, и в определенных местах слои соединяются химически. Однако заметим, что для мельчайших капилляров трехмерные принтеры пока недостаточно точны. В связи с этим был применен метод многофотонной полимеризации, используемый в полимерной промышленности. Короткие интенсивные лазерные импульсы, обрабатывающие материал, так сильно возбуждают молекулы, что они взаимодействуют друг с другом, соединяясь в длинные цепочки. Таким образом, материал полимеризуется и становится твердым, но эластичным, как естественные материалы. Эти реакции настолько управляемы, что с их помощью можно создавать мельчайшие структуры по трехмерному «чертежу».

А для того, чтобы созданные кровеносные сосуды могли состыковаться с клетками организма, при изготовлении сосудов в них интегрируют модифицированные биологические структуры (например, гепарин) и «якорные» белки. На следующем этапе в системе созданных «трубочек» закрепляются клетки эндотелия (однослойный пласт плоских клеток, выстилающий внутреннюю поверхность кровеносных сосудов) -- для того, чтобы компоненты крови не приклеивались к стенкам сосудистой системы, а свободно транспортировались по ней. Однако прежде чем действительно можно будет имплантировать выращенные в лаборатории органы с собственными кровеносными сосудами, пройдет еще какое-то время.

Выращивание органов на донорском или ксенологическом матриксе, выращивание органов на искусственном матриксе см.п.3

4. Выращивание тканей

Выращивание простых тканей - уже существующая и использующаяся в практике технология

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.

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.

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.

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.

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.

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.

4.7 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

5. Выращивание сложных органов

5.1 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.

5.2 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 Clнnic de Barcelona).

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

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.

5.4 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.

5.5 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.

5.6 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.

Заключение

Клеточная (тканевая) инженерия -- отрасль биотехнологии, в которой используют методы выделения клеток из организма, трансформации их и выращивания на питательных средах.

Одним из направлений клеточной инженерии является использование стволовых клеток для восстановления поврежденных тканей и органов. В лабораторных условиях возможно размножение и дальнейшая специализация стволовых клеток. Это открывает перспективы искусственного выращивания тканей и некоторых органов человека и животных с целью их последующего введения в организмы

Еще одним направлением клеточной инженерии является клонирование организмов. Клон (от греч. Клон -- ветвь, отпрыск) -- это совокупность клеток или особей, полученных от общего предка бесполым путем; клон состоит из генетически однородных клеток или организмов. У растений естественное клонирование распространено благодаря бесполом, в частности, вегетативном, размножению. Ученые также получают искусственные клоны растений.

Приложение

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Генная инженерия: история возникновения, общая характеристика, преимущества и недостатки. Знакомство с новейшими методами генной инженерии, их использование в медицине. Разработка генной инженерии в области животноводства и птицеводства. Опыты на крысах.

курсовая работа , добавлен 11.07.2012

Возникновение биотехнологии. Основные направления биотехнологии. Биоэнергетика как раздел биотехнологии. Практические достижения биотехнологии. История генетической инженерии. Цели, методы и ферменты генной инженерии. Достижения генетической инженерии.

реферат , добавлен 23.07.2008

Использование генной инженерии как инструмента биотехнологии с целью управления наследственностью живых организмов. Особенности основных методов и достижений генной инженерии в медицине и сельском хозяйстве, связанные с ней опасности и перспективы.

доклад , добавлен 10.05.2011

Методы культивирования соматических клеток человека и животных на искусственных питательных средах как предпосылка к развитию клеточной инженерии. Этапы соматической гибридизации. Перенос генетического материала. Происхождение трансгенных растений.

реферат , добавлен 23.01.2010

Понятие и основные методы генной инженерии. Методика выделения ДНК на примере ДНК плазмид. Принципы действия системы рестрикции-модификации. Перенос и обнаружение клонируемых генов в клетках. Конструирование и введение в клетки рекомбинантных молекул ДНК.

реферат , добавлен 23.01.2010

Сущность генной и клеточной инженерии. Основные задачи генной модификации растений, анализ вредности их употребления в пищу. Особенности гибридизации растительных и животных клеток. Механизм получения лекарственных веществ с помощью генной инженерии.

презентация , добавлен 26.01.2014

Пересадка генов и частей ДНК одного вида в клетки другого организма. История генной инженерии. Отношение к генетически модифицированным организмам в мире. Новые ГМ-сорта. Что несёт человечеству генная инженерия. Какие перспективы генной инженерии.

презентация , добавлен 24.02.2015

История, цели и основы генетической инженерии; биоэтические аспекты. Группы генетических заболеваний, их диагностика и лечение. Применение генетической инженерии в медицинской практике: генные вакцины, генотерапия, производство лекарственных препаратов.

реферат , добавлен 26.10.2011

Использование клеток, не существовавших в живой природе, в биотехнологических процессах. Выделение генов из клеток, манипуляции с ними, введение в другие организмы в основе задач генной инженерии. История генной инженерии. Проблемы продуктов с ГМО.

презентация , добавлен 21.02.2014

Предпосылки возникновения генетики. Основание мутационной теории. Генетика как наука о наследственности: ее исходные законы и развитие. Генная инженерия: научно-исследовательские аспекты и практические результаты. Клонирование органов и тканей.

Развитие современной клеточной трансплантологии и ее внедрение в клинику в последние десятилетия позволило продлить жизнь многим тысячам пациентов. В настоящее время наука о трансплантации клеток остается одной из самых интенсивно развивающихся областей биологии и медицины. Уже проходят клинические испытания такие методы, как:

– трансплантация собственных гемопоэтических клеток при рассеянном склерозе, системной красной волчанке, ревматоидном артрите;
– трансплантация гемопоэтических клеток при лечении злокачественных опухолей почек, молочной и поджелудочной желез, головного мозга;
– трансплантация донорских стволовых клеток для профилактики реакции «трансплантат против хозяина» после предшествующей трансплантации гемопоэтических клеток;
– адаптивная иммунотерапия (цитотоксические Т-лимфоциты) в онкологии, клеточные онковакцины;
– трансплантация миобластов скелетной мышечной ткани;
– трансплантация нейрональных клеток пациентам с постинсультным синдромом;
– трансплантация собственных и донорских клеток костного мозга для улучшения регенерации костной ткани после переломов.

Успехи в области изучения стволовых клеток во многом обусловлены повышенным интересом ученых и клиницистов к перспективам их использования в лечении заболеваний, в настоящее время считающихся неизлечимыми. Однако при этом возникает много этических вопросов (таких, например, как использование в качестве трансплантационного материала клеток эмбрионов человека), а также вопросов, связанных с правовой регуляцией клеточных технологий. В развитии клеточных технологий наиболее перспективными считаются следующие направления:

– выделение и трансплантация стволовых клеток, в том числе собственных клеток пациента;
– выявление субпопуляций и клонов стволовых клеток;
– тестирование безопасности трансплантации (инфекционной, онкогенной, мутагенной), составление «клеточного паспорта»;
– выделение индивидуальных линий эмбриональных стволовых клеток методом переноса ядра соматической клетки;
– коррекция генетических дефектов пренатальной трансплантацией клеток или комбинацией методов переноса ядра и генетической терапии.

Тканевая инженерия

Современная тканевая инженерия начала оформляться в самостоятельную дисциплину после работ Д.Р. Уолтера и Ф.Р. Мейера (1984), которым удалось восстановить поврежденную роговицу глаза с помощью пластического материала, искусственно выращенного из клеток, взятых у пациента. Этот метод получил название кератинопластика . После симпозиума, организованного Национальным научным фондом США (NSF) в 1987 г., тканевая инженерия стала считаться новым научным направлением в медицине. К настоящему времени большинство работ в этой области выполнено на лабораторных животных, но часть технологий уже используется в медицине.

Создания искусственных органов состоит из нескольких этапов (рис. 2).

Рис. 2. Схема процессинга тканеинженерных конструкций

На первом этапе отбирают собственный или донорский клеточный материал (биопсия), выделяют тканеспецифичные клетки и культивируют их. В состав тканеинженерной конструкции, или графта, кроме культуры клеток входит специальный носитель (матрица). Матрицы могут быть выполнены из различных биосовместимых материалов. Клетки полученной культуры наносятся на матрицу, после чего такая трехмерная структура переносится в биореактор1 с питательной средой, где инкубируется в течение определенного времени. Первые биореакторы были созданы для получения искусственной печеночной ткани.

Для каждого типа выращиваемого графта подбирают специальные условия культивирования. Например, для создания искусственных артерий используют проточный биореактор, в котором поддерживается постоянный проток питательной среды с переменным пульсовым давлением, имитирующим пульсацию тока крови.

Иногда при создании графта используют технологию префабрикации: конструкцию вначале помещают не на постоянное место, а в область, хорошо снабжаемую кровью, для дозревания и формирования микроциркуляции внутри графта.

В качестве клеточного материала для создания искусственных органов применяют культуры клеток, входящих в состав регенерируемой ткани или являющихся их предшественниками. Так, например, при получении графта для реконструкции фаланги пальца были использованы приемы, вызывающие направленную дифференцировку стволовых клеток костного мозга в клетки костной ткани.

Если для создания графта применялся собственный клеточный материала пациента, то происходит практически полная интеграция графта со скорейшим восстановлением функции регенерируемого органа. В случае использования графта с донорскими клетками в организме включаются механизмы индукции и стимуляции собственной репаративной активности, и за 1–3 месяца собственные клетки полностью замещают разрушающиеся клетки графта.

Для создания тканей и органов применяются в основном синтетические материалы, материалы на основе природных полимеров (хитозан, альгинат, коллаген), а также биокомпозитные материалы (табл. 3).

Таблица 3. Классы биоматериалов, применяемых в тканевой инженерии.

Биоматериал	Биосовмести- мость (включая цитотоксичность)	Токсичность	Резорбция	Область применения
Синтетические: Полимеры на основе органических кислот Гидроксиапатит			Полная до СО 2 и Н 2 О Нерезорбируемый	Хирургия, в тканевой инженерии как матрица-носитель практически для всех культур клеток. Костная ткань
Природные: Альгинат				Перевязочные материалы, в тканевой инженерии в виде гидрогелей (хондробласты, нервные клетки)
				Перевязочные материалы, в ТИ в виде пленок, губок; в сочетании с коллагеном (реконструкция костной, мышечной, хрящевой тканей, сухожилий)
Коллаген			Замещение собственными белками, ферментативный лизис	Перевязочные материалы, в ТИ (губки, трехмерные модели, пленки) как матрица-носитель практически для всех культур клеток.
Внеклеточный матрикс (естественные биологические мембраны)	++++ (за счет включенных в структуры биологически активных веществ и факторов роста)		Ремоделирование с заменой собственными белками	Шовный материал, в ТИ (трехмерные модели, пленки) как матрица-носитель для практически всех культур клеток

Одними из первых в тканевой инженерии стали применяться биодеградируемые синтетические биоматериалы на основе полимеров органических кислот, например молочной (PLA, полилактат) и гликолевой (PGA, полигликолид). При этом в состав полимера может входить как один тип кислотного остатка, так и их сочетания в различных пропорциях. Матрицы на основе органических кислот легли в основу создания таких органов и тканей, как кожа, кость, хрящ, сухожилие, мышцы (поперечно-полосатая, гладкая и сердечная), тонкая кишка и др. Однако у этих материалов имеются недостатки: изменение рН окружающих тканей при расщеплении в организме и недостаточная механическая прочность, что не позволяет использовать их как универсальный материал для матриц и подложек.

Особое место среди материалов для биоматриц-носителей занимают коллаген, хитозан и альгинат.

Коллаген практически не имеет антигенных свойств. Использованный в качестве матрицы, он разрушается за счет ферментативного гидролиза и структурно замещается собственными белками, синтезируемыми фибробластами. Из коллагена могут быть изготовлены матрицы с заданными свойствами для реконструкции практически любых органов и тканей. Являясь естественным тканевым (межклеточным) белком, он оптимально подходит в качестве носителя культуры клеток, обеспечивая рост и развитие ткани.

Альгинат – полисахарид из морских водорослей, может быть использован в качестве матрицы-носителя, однако не обладает достаточной биологической совместимостью и оптимальными механическими свойствами. Обычно он используется в виде гидрогелей для восстановления хрящевой и нервной ткани.

Хитозан – азотсодержащий полисахарид, который является основной составляющей наружного покрова насекомых, ракообразных и паукообразных. Этот биоматериал получают из хитиновых панцирей ракообразных и моллюсков. В настоящее время заслуживает внимания комбинированный по составу препарат – коллагеново-хитозановый комплекс. В ходе лабораторных и клинических исследований была показана его инертность и способность сохранять жизнеспособность клеточной культуры как in vitro , так и in vivo . Этот комплекс разрешен Минздравом РФ в качестве перевязочного, ранозаживляющего средства и уже используется в клинической практике в хирургии и стоматологии.

Современные возможности тканевой инженерии

Большинство исследований в области тканевой инженерии направлены на получение того или иного эквивалента тканей. Самое изученное направление тканевой инженерии – реконструкция соединительной ткани, особенно костной. В первой работе в этой области была описана реконструкция костно-хрящевого фрагмента бедренной кости кролика. Основной проблемой, с которой столкнулись исследователи, был выбор биоматериала и взаимодействие костной и хрящевой тканей в графте. Эквиваленты костной ткани получают путем направленной дифференцировки стволовых клеток костного мозга, пуповинной крови или жировой ткани. Затем полученные остеобласты наносят на различные материалы, поддерживающие их деление, – донорскую кость, PGA, коллагеновые матрицы, пористый гидроксиапатит и др. Графт сразу помещают в место дефекта или предварительно выдерживают в мягких тканях. Основной проблемой таких конструкций исследователи считают несоответствие скорости образования кровеносных сосудов в новой ткани и сроков жизни клеток в глубине графта. Для решения этой проблемы графт размещают около крупных сосудов.

Гистогенез мышечных тканей в большой степени зависит от развития нервно-мышечных взаимодействий. Отсутствие адекватной иннервации конструкций мышечных тканей пока не позволяет создать функционирующие тканевые эквиваленты поперечно-полосатой мышечной ткани. Гладкая мускулатура менее чувствительна к денервации, т.к. имеет некоторую способность к автоматизму. Гладкомышечные тканевые конструкции используют при создании таких органов, как мочеточник, мочевой пузырь, кишечная трубка. В последнее время все большее внимание уделяется попыткам реконструкции сердечной мышцы с помощью графтов, содержащих сердечные миоциты, полученные путем направленной дифференцировки малодифференцированных клеток костного мозга.

Одним из самых важных направлений в тканевой инженерии является изготовление эквивалентов кожи. Живые эквиваленты кожи, содержащие донорские или собственные кожные клетки, в настоящее время широко применяются в США, России, Италии. Эти конструкции позволяют улучшить заживление обширных ожоговых поверхностей.

Основными точками приложения тканевой инженерии в кардиологии можно считать создание искусственных клапанов сердца, реконструкцию крупных сосудов и капиллярных сетей. Имплантаты из синтетических материалов недолговечны и часто приводят к образованию тромбов. При использовании трубчатых (сосудистых) графтов на биодеградируемых матрицах получены положительные результаты в экспериментах на животных, однако нерешенной проблемой остается контролируемая прочность и сила сопротивления стенок графта пульсовому давлению крови.

Создание искусственных капиллярных сетей актуально при лечении патологий микроциркуляции крови при таких заболеваниях, как облитерирующий эндартериит, сахарный диабет и др. Положительные результаты здесь получены при использовании биодеградируемых графтов, выполненных в виде сосудистой сети.

Восстановление органов дыхания, таких как гортань, трахея и бронхи, также возможно с помощью тканевых конструкций из биодеградируемых или композитных материалов с нанесенными на них эпителиальными клетками и хондробластами.

Заболевания и пороки развития тонкого кишечника, сопровождающиеся его значительным укорочением, приводят к тому, что пациенты вынуждены пожизненно получать специальные питательные смеси и парентеральные растворы. В таких случаях удлинение функциональной части тонкого кишечника – единственная возможность облегчить их состояние. Алгоритм изготовления графта сводится к следующему: на биодеградируемую мембрану наносятся клетки эпителиального и мезенхимального происхождения и помещаются в сальник или брыжейку кишки для созревания. Спустя определенное время собственную кишку соединяют с графтом. Эксперименты на животных показали улучшение всасывающей активности, однако из-за отсутствия иннервации искусственная кишка не обладает способностью к перистальтике и регуляции секреторной активности.

Основная сложность в тканевой инженерии печени заключается в формировании трехмерной структуры ткани. Оптимальной биоматрицей для клеточной культуры является внеклеточный матрикс печени. Исследователи полагают, что к успеху приведет применение пористых биополимеров с заданными свойствами. Предпринимаются попытки применения постоянного магнитного поля для трехмерной организации клеточной культуры. Остаются нерешенными проблемы кровоснабжения больших по размерам графтов и отвода желчи, поскольку в графтах отсутствуют желчные протоки. Однако существующие методики уже позволяют компенсировать некоторых генетические аномалии печеночных ферментных систем, а также ослабить проявления гемофилии у лабораторных животных.

Конструирование желез внутренней секреции находится на стадии экспериментальной проверки методик на лабораторных животных. Наибольшие успехи достигнуты в тканевой инженерии слюнных желез, получены конструкции, содержащие клетки поджелудочной железы.

Пороки развития мочевыделительной системы составляют до 25% всех пороков развития. Тканевая инженерия в этом направлении медицины очень востребована. Создание эквивалентов почечной ткани – достаточно сложная задача, и решить эту проблему пытаются с помощью технологий прямого органогенеза, используя эмбриональные закладки почечной ткани. На лабораторных животных была показана возможность восстановления различных органов и тканей мочевыделительной системы.

Одной из важнейших задач является восстановление органов и тканей нервной системы. Тканеинженерные конструкции могут быть использованы для восстановления как центральной, так и периферической нервной системы. В качестве клеточного материала для репарации спинного мозга могут быть использованы клетки обонятельных луковиц и трехмерные биодеградируемые гели. Для периферической нервной системы используют биодеградируемые трубчатые графты, внутри которых рост аксона осуществляется по шванновским клеткам.

Создание искусственных органов позволит отказаться от трансплантации большей части донорских органов, улучшит качество жизни и выживаемость пациентов. В ближайшее время эти технологии будут внедряться во все области медицины.

По материалам журнала «Клеточная трансплантология и тканевая инженерия», 2005, № 1

- Заруи Ивановна, говорят, что тканевая инженерия воплощает фантастику в жизнь. Над какими фантастическими проектами работает сегодня ваша лаборатория?

Тканевая инженерия - это конструирование и выращивание живых функциональных тканей или органов вне организма для последующей трансплантации пациенту. На месте дефекта должна быть восстановлена трехмерная структура ткани. Целью является регенерация ткани, а не просто замещение ее синтетическим материалом. Основная направленность нашей лаборатории - создание коллекции мезенхимальных стволовых клеток, полученных из жировой ткани взрослых людей. Эмбриональные стволовые клетки выделяются из внутренней клеточной массы зародыша на ранней стадии, а взрослые - из разных тканей взрослого организма. Существует этическая проблема, связанная с неизбежным разрушением эмбриона человека при получении эмбриональных стволовых клеток. Поэтому предпочтительнее получение клеток из ткани взрослого организма. Возможно, лет 20 назад это действительно могло восприниматься как фантастика, но сегодня это современная инновационная технология. Именно этим мы и занимаемся. Протоколы, привезенные из США (а я работала десять лет в лаборатории университета им. Джорджа Вашингтона), позволяют нам не разрабатывать методику с нуля, а продолжать работу в этом направлении.

- Какие задачи стоят перед лабораторией в Институте физиологии?

В Институте физиологии уже достаточно давно проводятся исследования на уровне организмов и внеклеточных моделей. Клеточная культура и тканевая инженерия предоставляют возможность развивать эту область, изучать молекулярные механизмы преобразования клеток в ткани, выращенных специально для дальнейшей трансплантации. Мы (а это я и трое моих молодых сотрудников), работаем в лаборатории с жировой (адипозной) тканью, из которой относительно легко выделяются стволовые клетки. Из них можно вырастить клетки сердечной ткани - кардиомиоциты с заданной структурой, функционально активные, способные к сокращению, а также нервные и кожные клетки в зависимости от цели исследования. Наша лаборатория пока владеет не всеми этими методиками, но они опубликованы, так что это дело времени.

В тканевой инженерии есть два основных компонента. Это клетки и среда, в которой они должны расти. Предположим, мы уже умеем делать из стволовой клетки мышечную клетку и клетку сердечной мышцы, которая отличается от обычной мышцы, а также клетки кожи, печени. Но и этого недостаточно, им необходима среда обитания. И не просто жидкая среда, а трехмерное пространство, в котором могут расти клетки для создания искусственной ткани. Необходим и специальный носитель клеток, так называемый матрикс. Для создания матриксов применяют биологические инертные материалы, одним из которых является коллаген. В последние пять-шесть лет широкое развитие получило создание естественных или, как их еще называют, обесклеточных матриксов. Объясню, что это такое. Каждая наша ткань, каждый наш орган имеют свою архитектуру. Исследования, проведенные в крупных научных центрах США и Японии, показали, что можно взять орган и отмыть его от всех клеток, сохранив при этом его архитектуру. Главное - обеспечить условия, при которых приготовленный заранее раствор, основным компонентом которого является детергент (мыло), протекал через все питающие этот орган сосуды, растворяя мембраны клеток и оставив лишь белковый остов. Чтобы удостовериться, что мы тоже можем это сделать, мы взяли сердце крысы, обработали его раствором детергента и по окончании эксперимента остался только каркас - мраморное сердечко. Вся архитектура органа, а она построена из белка, сохранилась. Мыло, как известно, на белок не действует. Клеточки, которые потом прокапываются изнутри, застревают в этом уже сложенном сердце, создают свои обратные связи и сердце начинает работать.

Конечно, сейчас пришли новые технологии, развивается биопечать, так называемая 3Д печать, которая позволяет напечатать матрикс или сердце. Но для этого надо дать принтеру специальные дорогостоящие "чернила". Сделать его из бумаги тоже не получится, матрикс не будет держаться. Чтобы он держался, необходимо выделить или синтезировать специализированные белки, в основном коллагены, которые создают архитектуру любого органа. В наших условиях это очень дорогая задача, легче получить обесклеточный орган. Но, предположим, мы все это собрали и ретрансплантировали, например, поставили заплатку на коже, но тут можем столкнуться с классической проблемой трансплантации - отторжением. Поэтому мы являемся лабораторией не просто тканевой инженерии, но и иммунологии.

Теоретически все клетки любого организма похожи и отличаются лишь поверхностными молекулами, которые кодируются молекулами, известными данной иммунной системе. Если смыть эти молекулы вместе с несущими их клетками, то теоретически матрикс не должен вызывать иммунную реакцию организма. Но никто этих исследований пока не делал.

Следующий этап - определить самые легкодоступные, дешевые, но работающие матрицы. Это второе направление нашей исследовательской деятельности. Оба направления мы пытаемся свести в одно, чтобы исследовать фундаментальные аспекты регенерации ткани. Иногда фундаментальную науку считают оторванной от действительности, но результаты исследования нашей лаборатории имеют конкретное приложение. Фрагменты ткани, выращенные в основном из кожи, наиболее легко приживаются при трансплантации. В США, Японии, Европе они широко используются при ожогах, пластических операциях и т.д., что со временем будет делаться и у нас. Но это будет уже вне академической организации.

- Наука Армении финансируется по остаточному принципу. Создать новую лабораторию иммунологии и тканевой инженерии требует немалых вложений. Как это удалось?

Приходится, конечно, выкручиваться. Идея создания лаборатории возникла благодаря инициативе Института физиологии и коллаборации с университетом им. Джорджа Вашингтона в США, где я остаюсь членом кафедры. Американские коллабораторы помогают всем, чем могут, делятся и оборудованием, реагентами. Заведующая лабораторией кардиофизиологии этого университета, ученый с мировым именем и наша соотечественница - профессор Нарине Сарвазян, заинтересованная, чтобы у нас тут все состоялось, помогает не только финансово, но и интеллектуально. Мы обговариваем идеи, изыскиваем варианты, чтобы получить результаты при очень скромных финансовых возможностях. Иногда она даже повторяет наш эксперимент в своей лаборатории, чтобы уточнить результат. Для выращивания клеток мы используем инкубатор старого советского образца. Институт выделил нам два компьютера, отремонтировал комнаты, выделенные лаборатории, предоставил пару старых стерильных боксов, хотя и не того уровня, что требуется, поэтому мы часто пользуемся аппаратурой лаборатории Наиры Айвазян, с которой активно сотрудничаем. Холодильник приобрели сами. В вопросе оснащения у нас пока еще много проблем, особенно необходим новый инструментарий. Из-за отсутствия прибора проточный цитометр не получается продуктивно сотрудничать с нашим коллаборатором - косметическим центром "Авангард" в Аване. Но мы расширяем контакты и исследовательские возможности.

Мои друзья, московские биологи, уверяли, что клетки - дамы капризные, и с ними необходимо разговаривать, иначе они обидятся и перестанут расти. Клетки обычно выделяются из женских особей, их надо любить. Придя утром в лабораторию, надо подойти к инкубатору и пожелать клеткам доброго утра, сказать что-то приятное, поговорить. Вы смеетесь, но это так. В университете им. Джорджа Вашингтона у меня был коллега, который игнорировал это правило, и клетки у него не росли. Ему пришлось обязать своих аспирантов каждое утро подходить к инкубатору и делать клеткам комплименты. Кроме того, клетке нужна наша защита. Взяв клетку из организма, мы лишаем ее иммунитета, теперь она рассчитывает только на нас и стерильную технику. Стерильность, которую мы должны обеспечивать, хирургам даже не снилась.

- С кем еще сотрудничает лаборатория?

Внутри института мы сотрудничаем с лабораториями Наиры Айвазян и Армена Восканяна. Они проводят свои исследования на биохимическом уровне или синтетических субстратах - отделяют жир, создают из него искусственное подобие клетки, формируют везикулы и на них исследуют влияние различных токсинов. Лучше это делать на растущих клетках. Поэтому еще одно направление деятельности лаборатории - изучение влияния наших эндемических ядов на активно растущие клетки. Не важно раковые это, эмбриональные или сердечные клетки. Не зная молекулярную физиологию действия ядов, не зная молекулярного механизма, создать конкретное противоядие сложно. Только поняв, какая молекула влияет на этот механизм, можно применять противоядие. Поэтому и отвечать на вопрос, почему взяли именно эту молекулу, надо на молекулярном уровне.

- Биотехнологии - наука очень дорогая, но обычно ученых выручают гранты...

Мы получили грант Госкомитета по науке, он рассчитан на два года. Но сумма не очень значительна. Надеялись получить и грант МНТЦ. Наладили коллаборацию с коллегами из Казахстана, где сейчас базируется МНТЦ, создали связь, но не получилось. Почему, не знаю. Отсутствует обратная связь. А мы на эти деньги рассчитывали.

В будущем, как говорят фантасты, для излечения от недуга нужно будет всего лишь зайти в аптеку, похожую на склад с запчастями. И выбрать нужную полку. Вот здесь запасные глаза, вот печень, почки, а в этом ящике руки и ноги разных размеров Не отстают от писателей и голливудские фантазеры, они тоже подливают масла в огонь этой темы: эффектно отрастающие новые руки и ноги супергероев впечатляют. Но в жизни, разумеется, все гораздо прозаичнее, нежели на экране. Хотя некоторые предпосылки к тому, чтобы в скором времени человек «примерил» биоискусственные органы, уже есть.

Тканевая инженерия активно развивающаяся отрасль медицины и биологии буквально воплощает фантастику в жизнь. Специалисты, занятые в этой области, изучая строение живых тканей, пытаются вырастить их в лабораторных условиях, чтобы затем использовать искусственно созданную ткань для трансплантации. Такое «производство» откроет очень серьезные перспективы. Стоит только вдуматься в это: заболевший (раненый, покалеченный) человек сможет быстро восстанавливаться, он получит неисчерпаемый источник для замены поврежденных органов. Ведь современные темпы урбанизации и развитие технических средств, как ни странно, подвергают жителей Земли все большим опасностям и болезням, всевозможным травмам в различных катастрофах, так что задача тканевых инженеров действительно широка вырастить кости, хрящи и органы для замены поврежденных.

Как и все разделы медицины, тканевая инженерия имеет собственную терминологию и свои методологические подходы. Любая «тканеинженерная» процедура начинается с получения исходного клеточного материала первого шага. Как правило, для этого проводят биопсию, то есть забирают у пациента, нуждающегося в биоискусственной ткани, клетки нужного типа. Однако не все клетки могут достаточно интенсивно размножаться в искусственной среде. Поэтому другой подход состоит в том, чтобы отобрать недифференцированные клетки-предшественники, так называемые стволовые клетки , которые будут созревать и специализироваться уже в лабораторных условиях. Этим определяется взаимосвязь тканевой инженерии с исследованиями стволовых клеток. Однако не следует отождествлять эти два направления биомедицинских исследований тканевые инженеры работали над своими проектами еще задолго до того, как термин «стволовые клетки» стал знаком широкой публике.

Второй шаг культивирование полученных клеток в лабораторных условиях (in vitro) с целью увеличить во много раз их количество. При этом в случае использования недифференцированных (стволовых) клеток они помещаются в специальную среду, которая индуцирует их превращение в клетки строго заданного вида. Чтобы понять, насколько это сложно, достаточно сказать, что в организме насчитывается более 200 разновидностей клеток. Для достижения нужного результата культивирование проводится в специальных биореакторах. В них не только моделируется состав газовой смеси и набор веществ в питательной среде, но и поддерживаются необходимые для развития клеток и тканей физические параметры освещенность, течение или пульсация жидкости, гравитация и т. п.

Но для выращивания живой ткани мало просто получить достаточное количество нужных клеток, необходимо, чтобы они были надлежащим образом организованы в пространстве. Поэтому следующим шагом становится формирование трехмерного каркаса носителя для искомой ткани, на котором они бы могли нормально развиваться и выполнять свои функции после пересадки в организм.

Наконец, в итоге всех этих сложных манипуляций появляется готовый биоискусственный эквивалент ткани графт, и тогда наступает последний этап его имплантация в тело пациента (графтинг). Использование собственных клеток пациента для изготовления графта основополагающий принцип тканевой инженерии. Забирая аутоклетки, врачи избегают иммунологических проблем отторжения пересаженного материала, благодаря чему шансы на удачный исход операции резко возрастают.

У истоков тканевой инженерии
Если не считать сотворения Евы из ребра Адама, то выращивание клеток и тканей началось на закате XIX века. В 1885 году немецкий эмбриолог Вильгельм Ру в течение нескольких дней смог поддерживать жизнеспособность фрагмента куриного эмбриона в искусственных условиях. Однако настоящих успехов в культивировании тканей вне организма удалось достичь только после экспериментов Р. Гаррисона в 1907 году: он предложил использовать свернувшуюся кровь или лимфу в качестве среды для развития тканей в лабораторной посуде in vitro.

В Россию этот метод пришел в 1913 году, когда сотрудник Императорской Военно-медицинской академии П.П. Авроров и его коллега А.Д. Тимофеевский смогли в течение некоторого времени выращивать клетки лейкозной крови. А годом позже этой проблемой заинтересовался великий российский гистолог Александр Александрович Максимов, профессор той же академии, который не только подтвердил данным методом унитарную теорию кроветворения, то есть доказал, что все клетки крови развиваются из общего предшественника стволовой клетки, но и заложил основу для дальнейших разработок в области культивирования тканей вне организма. На базе его результатов были выполнены сотни работ по выращиванию клеток соединительной ткани и крови, созданию тканеинженерных эквивалентов костной ткани. Его приоритет в этих исследованиях признан всемирно.

Настоящая же эра тканевой инженерии, да и собственно выделение ее как самостоятельной отрасли медицины, началась с дерзких работ К. Ваканти по совмещению в лабораторных условиях живых клеток и искусственных носителей для них, которые он предпринял в 80-х годах прошедшего столетия. На сегодня, пожалуй, не осталось ни одного человеческого органа, развитие и регенерацию которого тканевые инженеры не пытались бы «приручить».

Основа ткани

Выбор носителя для развития искусственной ткани одна из самых серьезных проблем тканевой инженерии. Его материал должен быть безопасным как для тех клеток, которые на нем будут жить, так и в целом для организма, куда потом будет пересаживаться биоискусственная ткань. В идеале материал со временем полностью замещается тканью организма. При этом он должен иметь уникальную, характерную для данного типа ткани трехмерную организацию, которая воспроизводила бы структуру межклеточного матрикса живой ткани. Например, для воссоздания полых трубчатых органов используют лишенные жизнеспособных клеток участки аналогичных органов (кишечника, трахеи, мочеточников и мочевого пузыря), полученных от крупных животных. Но в качестве таких носителей могут быть применены другие, самые разнообразные и подчас весьма неожиданные материалы.

Проще всего (если, конечно, тут вообще уместно говорить о простоте) оказалось создать биоискусственные кости. В качестве источников клеток для будущих костей используют стволовые стромальные клетки костного мозга, которые могут развиваться в клетки разных тканей, а также остеогенные (способные образовывать костную ткань) клетки иного происхождения. Настоящее поле для фантазии представляется при выборе носителя для них. В ход идут коллагены различных типов, стеклокристаллические материалы, даже кораллы. Неплохой основой служат безжизненные (трупные) кости человека и животных, а также сложные синтетические конструкции, растворяющиеся за определенный срок в организме. В последнем случае основной проблемой является синхронизация процесса остеогенеза, то есть образования костной ткани в области ее дефицита и растворения привнесенной искусственной конструкции. На сегодняшний день по всему миру выполнено уже несколько тысяч хирургических вмешательств с использованием тканеинженерных эквивалентов костной ткани.

Весьма востребована на рынке медицинских услуг клеточная и тканевая реконструкция суставного хряща. Хрящ особая ткань, которая в естественных условиях не регенерирует. По некоторым экспертным оценкам, рынок этих продуктов только в США может составлять сотни миллионов долларов в год.

Не обошли вниманием тканевые инженеры и кожу самый большой орган на теле человека. Общая площадь кожного покрова взрослого мужчины достигает 2,5 м 2 при весе 1520 кг (с учетом подкожной клетчатки). Кожа устроена достаточно сложно и выполняет ряд жизненно важных функций, вот почему при ее обширных повреждениях, помимо местных расстройств, могут наблюдаться и общие патологические проявления, подчас ставящие жизнь больного под угрозу. При сильных ожогах и длительно не заживающих язвах кожа неспособна сама восстанавливать свою целостность. На помощь приходят специалисты, у которых уже есть не только лабораторные прототипы, но и коммерческие образцы биоискусственной кожи. На сегодняшний день тысячи человек в мире уже успели воспользоваться услугами фирм, предлагающих на рынке медицинских услуг подобные тканевые препараты.

Но самых фантастических результатов достигли тканевые инженеры в детской практике. Растущий организм предъявляет особые требования к созданию тканеинженерных конструкций ведь они должны расти вместе с организмом ребенка. Так, недавно немецкими учеными был создан тканеинженерный сердечный клапан. В качестве основы для клеток сосудистой стенки (эндотелия) был взят сердечный клапан взрослой свиньи. А источником клеточного материала стали клетки пуповинной крови ребенка. Между прочим, до недавнего времени пуповинную кровь при родах выбрасывали вместе с плацентой, но теперь все больше данных свидетельствует о том, что сохранение этих клеток в гемабанках в определенных случаях может дать шанс для спасения жизни человека.

Искусственная челюсть
Не так давно группа немецких специалистов из города Киль под руководством Патрика Варнке (Patrick Warnke) сообщила об успешном воссоздании нижней челюсти, которая была практически полностью удалена в связи с опухолевым поражением. Первоначально врачам пришлось создать титановый каркас челюсти, который был заполнен костным матриксом, костным мозгом пациента и факторами роста кости. Однако такой большой фрагмент не мог быть помещен сразу в область повреждения, ведь лишенные собственной сосудистой сети клетки костного мозга, в том числе и стволовые, не только бы не дифференцировались в остеобласты (клетки, продуцирующие костную ткань), но и погибли от кислородного голодания и отсутствия питательных веществ. Поэтому полученную конструкцию внедрили в мышцы спины. Это было сделано для того, чтобы в толще интенсивно снабжаемых кровью мышц сосуды сами проросли в толщу «биологического протеза». Когда это произошло, конструкцию извлекли и пересадили на должное место, предварительно соединив сосуды нижней челюсти и биопротеза микрохирургическим путем.

С каждым годом таких или подобных операций проводится все больше. Они позволяют не только восстановить функцию утраченного органа, но и обеспечить эстетический косметический эффект.

Сосуды тканям!

Одним из факторов, ограничивающих фантазию тканевых инженеров, является невозможность создания относительно больших конструкций в связи с отсутствием их адекватного кровоснабжения и иннервации (связи с центральной нервной системой). Тканеинженерные конструкции, изъятые из искусственной среды, рискуют погибнуть из-за того, что в них нет кровеносных сосудов и в теле пациента они не будут в достаточной мере снабжаться питательными веществами. Частично эту проблему можно решить методом префабрификации временного помещения созданной в лаборатории тканеинженерной конструкции под кожу или между мышц. Через некоторое время, когда сосуды прорастут весь объем графта, его выделяют с сохранением сосудов и переносят в область повреждения. Однако такой подход связан с нанесением пациенту дополнительной операционной травмы, поэтому тканевые инженеры нашли гениальное решение: биоискусственным тканям биоискусственные сосуды! Первые работы были проведены с полимерными микротрубочками, выстланными изнутри эндотелием. Такие трубочки пронизывают всю толщу созданной в лаборатории ткани. Постепенно полимер рассасывается и не мешает обмену газами и питательными веществами между кровью и клетками.

На сегодняшний день уже практически ничто не ограничивает возможностей тканевых инженеров. Созданы не только лабораторные прототипы, но и применены в клинической практике тканеинженерные эквиваленты сосков молочных желез, биоискусственный мочевой пузырь, мочеточники. Определены методические подходы к созданию легких, печени, трахеи, участков кишечника и даже кавернозных тел полового члена.

Конструирование паренхиматозных органов печени, легких и других представляет особую сложность, поскольку все клетки в них находятся в тонкой взаимосвязи и должны строго занимать надлежащее им место в трехмерном пространстве. Неожиданные положительные результаты здесь проявились при выращивании клеток во взвешенном состоянии без прикрепления к поверхности. Группа исследователей под руководством профессора Колина Макгуккина (Colin McGuckin) из Университета Ньюкасла, Великобритания, использовала вращающийся биореактор, разработанный 10 лет назад специально для Международной космической станции. Он позволяет имитировать на Земле условия невесомости и микрогравитации. Оказалось, что при культивировании в нем стволовых клеток пуповинной крови можно добиться не только их превращения в функционально активные клетки печени, но и органогенеза образования аналога печеночной ткани с присущими ей функциями.

Не менее удивительные результаты дали опыты по насыщению культуры клеток металлическими наночастицами посредством липосом, беспрепятственно проникающих через клеточную мембрану. Пребывание таких структур внутри клетки практически не оказывает на нее влияния. Зато ученые получают возможность контролировать рост клеток, воздействуя на них магнитными полями разной направленности. Таким способом удалось создать не только аналоги структур печени, но и такие сложные структуры, как элементы сетчатки глаза. Разработки тканеинженерного глаза еще находятся в самых начальных стадиях, но уже удалось получить эквиваленты отдельных его частей роговицы, склеры, радужки. Правда, проблема интеграции полученных частей пока не решена. Тем не менее в научной литературе можно встретить сведения о трансплантации светочувствительных клеток палочек и колбочек в «святая святых» глаза сетчатку, правда, пока только в экспериментальных условиях.

Пожалуй, чтобы окончательно почувствовать себя всемогущими, тканевым инженерам осталось лишь научиться воссоздавать в лабораторных условиях сложные производные нервных зачатков.

В ведущих западных и отечественных лабораториях специалисты пытаются воспроизвести развитие и другого крайне трудного для восстановления органа зуба. Трудности с его созданием вызваны тем, что составляющие зуба развиваются из различных источников: часть из производных нервной системы нервного гребня, а часть из эпителиальной выстилки ротовой полости. Совместить эти источники in vitro длительное время не удавалось. На сегодняшний момент в искусственных условиях частично воспроизведены лишь ранние стадии развития зуба. Как правило, без помощи организма здесь не обойтись и после этапа лабораторной работы прообраз будущего зуба все равно приходится подсаживать в его естественное окружение альвеолу челюсти (зубную лунку) для полного «созревания» тканеинженерной конструкции.

В итоге можно сказать, что минувшее двадцатилетие ознаменовалось становлением новой отрасли биологии и медицины тканевой инженерии. Специалисты, работающие в этой области, обладают поистине уникальными качествами. Они должны быть в равной степени и врачами, и биологами, а также иметь навыки хирурга. Таковых сейчас нигде не готовят, по крайней мере, в нашей стране. Как правило, тканевые инженеры это энтузиасты, которые поставили перед собой цель претворить сказку из детства в реальность. Пока общечеловеческая проблема, которой они занимаются, далека от разрешения. Ежегодно сотни тысяч людей по всему миру погибают от хронических заболеваний, так и не дождавшись спасительной пересадки донорского органа. Сегодня, видимо, уже не найдется ученых, которые стали бы отрицать, что тканевая инженерия это медицина будущего, успехи которой имеют колоссальное значение для всего человечества. Но вместе с тем сложно найти и такого специалиста, который безоговорочно призовет всех лечиться, прибегая к методам тканевой инженерии слишком уж много вопросов и нерешенных проблем стоит перед этой очень перспективной областью знаний.

Сайты по теме
www.celltranspl.ru Сайт «Клеточные технологии в медицине». Здесь же размещается электронный журнал «Клеточная трансплантология и тканевая инженерия».

www.gemabank.ru Сайт банка стволовых клеток «Гемабанк» посвящен теме хранения и использования пуповинной крови.

organprint.missouri.edu Сайт научной группы из Университета штата Миссури, США, посвященный напечатанным на специализированном принтере искусственным органам.

В последнее время во всем мире наблюдается тревожная закономерность, которая заключающееся в росте количества заболеваний и инвалидизации людей трудоспособного возраста, что настоятельно требует освоения и внедрения в клиническую практику новых, более эффективных и доступных методов восстановительного лечения больных.

Одним из таких методов наряду с имплантацией и трансплантацией является тканевая инженерия. Клеточная и тканевая инженерия - является последним достижением в области молекулярной и клеточной биологии. Этот подход открыл широкие перспективы для создания эффективных биомедицинских технологий, с помощью которых становится возможным восстановление поврежденных тканей и органов и лечение ряда тяжелых метаболических заболеваний человека.

Цель тканевой инженерии - конструирование и выращивание вне организма человека живых, функциональных тканей или органов для последующей трансплантации пациенту с целью замены или стимуляции регенерации поврежденных органа или ткани. Иными словами, на месте дефекта должна быть восстановлена трехмерная структура ткани.

Обычные имплантаты из инертных материалов могут устранить только физические и механические недостатки поврежденных тканей, - в отличие от тканей, полученных методом инженерии, которые восстанавливают, в том числе, и биологические (метаболические) функции. То есть, происходит регенерация ткани, а не простое замещение ее синтетическим материалом.

Однако для развития и совершенствования методов реконструктивной медицины на базе тканевой инженерии необходимо освоение новых высокофункциональных материалов. Эти материалы, применяемые для создания биоимплантатов, должны придавать тканеинженерным конструкциям характеристики, присущие живым тканям. Среди этих характеристик:

1) способность к самовосстановлению;
2) способность поддерживать кровоснабжение;
3) способность изменять строение и свойства в ответ на факторы окружающей среды, включая механическую нагрузку.

Наиболее важным элементом успеха является наличие необходимого количества функционально активных клеток, способных дифференцироваться, поддерживать соответствующий фенотип и выполнять конкретные биологические функции. Источником клеток могут быть ткани организма и внутренние органы. Возможно использование соответствующих клеток от пациента, нуждающегося в реконструктивной терапии, или от близкого родственника (аутогенных клеток). Могут быть использованы клетки различного происхождения, в том числе первичные и стволовые клетки. Первичные клетки - это зрелые клетки определенной ткани, которые могут быть взяты непосредственно от организма-донора (ex vivo) хирургическим путем. Если первичные клетки взяты у определенного организма-донора, и впоследствии необходимо имплантировать эти клетки ему же в качестве реципиента, то вероятность отторжения имплантированной ткани исключается, поскольку присутствует максимально возможная иммунологическая совместимость первичных клеток и реципиента. Однако первичные клетки, как правило, не способны делиться - их потенциал к размножению и росту низок. При культивировании таких клеток in vitro (посредством тканевой инженерии) для некоторых типов клеток возможна дедифференцировка, то есть потеря специфических, индивидуальных свойств. Так, например, хондроциты, вводимые в культуру вне организма, часто продуцируют фиброзный, а не прозрачный хрящ.

Поскольку первичные клетки не способны делиться и могут потерять свои специфичные свойства, возникла необходимость альтернативных источников клеток для развития технологий клеточной инженерии. Таковой альтернативой стали стволовые клетки.

Стволовые клетки - недифференцированные клетки, которые имеют способность к делению, самообновлению и дифференцировке в различные типы специализированных клеток под воздействием конкретных биологических стимулов.

Стволовые клетки подразделяются на "взрослые" и "эмбриональные". Эмбриональные стволовые клетки образуются из внутренней клеточной массы развития зародыша на ранней стадии, а взрослые - из тканей взрослого организма, пуповины или даже плодных тканей. Однако существует этическая проблема, связанная с неизбежным разрушением человеческого эмбриона при получении эмбриональных стволовых клеток. Поэтому предпочтительнее "добыча" клеток из тканей взрослого организма. Так, например, в 2007 году Шинью Яманакой (Shinya Yamanaka) из Киотского университета Японии были открыты индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК), получаемые из покровных тканей человека (в основном, из кожи). ИПСК открывают поистине невиданные возможности для регенеративной медицины, хотя, прежде чем они всерьез войдут в медицинскую практику, предстоит решить еще немало проблем.

Для направления организации, поддержания роста и дифференцировки клеток в процессе реконструкции поврежденной ткани необходим специальный носитель клеток - матрикс, представляющий из себя трехмерную сеть, похожую на губку или пемзу. Для их создания применяют биологически инертные синтетические материалы, материалы на основе природных полимеров (хитозан, альгинат, коллаген) и биокомпозиты. Так, например, эквиваленты костной ткани получают путем направленной дифференцировки стволовых клеток костного мозга, пуповинной крови или жировой ткани в остеобласты, которые затем наносят на различные материалы, поддерживающие их деление (например, донорскую кость, коллагеновые матрицы и др.).

На сегодняшний день одна из стратегий тканевой инженерии такова:

1) отбор и культивирование собственных или донорских стволовых клеток;
2) разработка специального носителя для клеток (матрицы) на основе биосовместимых материалов;
3) нанесение культуры клеток на матрицу и размножение клеток в биореакторе со специальными условиями культивирования;
4) непосредственное внедрение тканеинженерной конструкции в область пораженного органа или предварительное размещение в области, хорошо снабжаемой кровью, для дозревания и формирования микроциркуляции внутри конструкции (префабрикация).

Матриксы через некоторое время после имплантации в организм хозяина полностью исчезают (в зависимости от скорости роста ткани), а в месте дефекта останется только новая ткань. Также возможно внедрение матрикса с уже частично сформированной новой тканью ("биокомпозит"). Безусловно, после имплантации тканеинженерная конструкция должна сохранить свои структуру и функции в течение периода времени, достаточного для восстановления нормально функционирующей ткани в месте дефекта, и интегрироваться с окружающими тканями. Но, к сожалению, идеальные матриксы, удовлетворяющие всем необходимым условиям, пока не созданы.

Принтер наносит материал послойно, и в определенных местах слои соединяются химически. Однако заметим, что для мельчайших капилляров трехмерные принтеры пока недостаточно точны. В связи с этим был применен метод многофотонной полимеризации, используемый в полимерной промышленности. Короткие интенсивные лазерные импульсы, обрабатывающие материал, так сильно возбуждают молекулы, что они взаимодействуют друг с другом, соединяясь в длинные цепочки. Таким образом, материал полимеризуется и становится твердым, но эластичным, как естественные материалы. Эти реакции настолько управляемы, что с их помощью можно создавать мельчайшие структуры по трехмерному "чертежу".

А для того, чтобы созданные кровеносные сосуды могли состыковаться с клетками организма, при изготовлении сосудов в них интегрируют модифицированные биологические структуры (например, гепарин) и "якорные" белки. На следующем этапе в системе созданных "трубочек" закрепляются клетки эндотелия (однослойный пласт плоских клеток, выстилающий внутреннюю поверхность кровеносных сосудов) - для того, чтобы компоненты крови не приклеивались к стенкам сосудистой системы, а свободно транспортировались по ней.

Однако прежде чем действительно можно будет имплантировать выращенные в лаборатории органы с собственными кровеносными сосудами, пройдет еще какое-то время.

Осенью 2008 года руководитель клиники Университета Барселоны (Испания) и Медицинской школы Ганновера (Германия) профессор Паоло Маккиарини (Paolo Macchiarini) провел первую успешную операцию по трансплантации биоинженерного эквивалента трахеи пациентке со стенозом главного левого бронха на протяжении 3 см.

В качестве матрикса будущего трансплантата был взят сегмент трупной трахеи длиной 7 см. Чтобы получить природную матрицу, по свойствам превосходящую все то, что можно сделать из полимерных трубок, трахею очистили от окружающей соединительной ткани, клеток донора и антигенов гистосовместимости. Очищение заключалось в 25 циклах девитализации с применением 4% -деоксихолата натрия и дезоксирибонуклеазы I (процесс занял 6 недель). После каждого цикла девитализации проводили гистологическое исследование ткани для выявления количества оставшихся ядросодержащих клеток, а также иммуногистохимическое исследование на наличие в ткани антигенов гистосовместимости HLA-ABC, HLA-DR, HLA-DP и HLA-DQ. Благодаря биореактору собственной разработки ученые на поверхность медленно вращающегося отрезка трахеи равномерно нанесли шприцем суспензию клеток. Затем трансплантат, наполовину погруженный в среду для культивирования, вращался вокруг своей оси с целью попеременного контакта клеток со средой и воздухом.