Искусственно выращенные органы. Как выращивают искусственные органы? Банк стволовых клеток
Уже сегодня технологии выращивания новых органов широко используются в медицине и позволяют осваивать новые методы изучения иммунной системы и различных заболеваний, а также снижают потребность в трансплантатах. Пациенты, которым сделали пересадку каких-либо органов, нуждаются в большом количестве токсических препаратов для того, чтобы подавлять свою иммунную систему; иначе их организм может отвергнуть пересаженный орган. Однако, благодаря развитию тканевой инженерии, пересадка органов может остаться в прошлом. Используя клетки самих пациентов в качестве материала для выращивания в лаборатории новых видов ткани, ученые открывают все новые технологии создания человеческих органов.
Выращивание органов -- перспективная биоинженерная технология, целью которой является создание различных полноценных жизнеспособных биологических органов для человека. Пока технология не применяется на людях.
Создание органов стало возможным чуть более 10 лет назад благодаря развитию биоинженерных технологий. Для выращивания используют стволовые клетки, взятые у пациента. Разработанная недавно технология ИПК (индуцированные плюрипотентные клетки) позволяет перепрограммировать стволовые клетки взрослого человека так, чтобы из них мог получиться любой орган.
Выращивание органов или тканей человека может быть, как внутренним, так и наружным (в пробирках).
Самый известный ученый в этой области - Энтони Атала, признанный Врачом года-2011, глава лаборатории в Институте регенеративной медицины Вейк Сити (США). Именно под его руководством 12 лет назад был создан первый искусственный орган - мочевой пузырь. Вначале Атала с коллегами создали искусственную матрицу из биосовместимых материалов. Затем взяли у пациента здоровые стволовые клетки мочевого пузыря и перенесли на каркас: одни изнутри, другие снаружи. Через 6-8 недель орган был готов к пересадке.
«Меня учили, что нервные клетки не восстанавливаются, - вспоминал позже Атала. - Как же мы были поражены, когда наблюдали, как пересаженный нами мочевой пузырь покрывается сеткой нервных клеток! Это значило, что он будет, как и должно, общаться с мозгом и функционировать как у всех здоровых людей. Удивительно, как много истин, которые еще 20 лет назад казались незыблемыми, опровергнуто, и теперь нам открыты ворота в будущее».
Для создания матрикса применяют донорские или искусственные ткани, даже углеродные нанотрубки и нити ДНК. Например, кожа, выращенная на каркасе из углеродных нанотрубок, в десятки раз прочнее стали - неуязвима, как у супермена. Только непонятно, как с таким человеком потом работать, например, хирургу. Кожу на каркасе из паучьего шелка (тоже прочнее стали) уже вырастили. Правда, человеку пока не пересаживали.
А самая, пожалуй, передовая технология - печатание органов. Придумал ее все тот же Атала. Метод годится для сплошных органов и особенно хорош для трубчатых. Для первых экспериментов использовали обычный струйный принтер. Позже, конечно, изобрели специальный.
Принцип прост, как все гениальное. Вместо чернил разного цвета картриджи заправлены суспензиями разных типов стволовых клеток. Компьютер вычисляет структуру органа и задает режим печати. Он, конечно, сложнее обычной печати на бумаге, в нем много-много слоев. За счет них и создается объем. Потом все это должно срастись. Уже удалось «напечатать» кровеносные сосуды, в том числе сложно ветвящиеся.
Кожа и хрящи. Их вырастить проще всего: достаточно было научиться размножать кожные и хрящевые клетки вне организма. Хрящи пересаживают уже около 16 лет, это достаточно распространенная операция.
Кровеносные сосуды. Вырастить их несколько сложнее, чем кожу. Ведь это трубчатый орган, который состоит из двух типов клеток: одни выстилают внутреннюю поверхность, а другие формируют наружные стенки. Первыми вырастили сосуды японцы под руководством профессора Кадзува Накао из Медицинской школы Киотского университета еще в 2004 году. Чуть позже, в 2006 году, директор Института стволовой клетки университета Миннесоты в Миннеаполисе (США) Катрин Верфэйл продемонстрировала выращенные клетки мышц.
Сердце. Шестнадцати детям в Германии уже пересажены клапаны сердца, выращенные на каркасе от свиного сердца. Двое детей живут с такими клапанами уже 8 лет, и клапаны растут вместе с сердцем! Американо-гонконгская группа ученых обещает начать пересадку «заплаток» для сердца после инфаркта через 5 лет, а английская команда биоинженеров через 10 лет планирует пересаживать целое новенькое сердце.
Почки, печень, поджелудочная железа. Как и сердце, это так называемые сплошные органы. В них самая высокая плотность клеток, поэтому вырастить их труднее всего. Уже решен главный вопрос: как сделать так, чтобы выращенные клетки составили форму печени или почки? Для этого берут матрицу в форме органа, помещают в биореактор и заполняют клетками.
Мочевой пузырь. Самый первый «орган из пробирки». Сегодня операции по выращиванию и пересадке собственного «нового» мочевого пузыря уже сделаны нескольким десяткам американцев.
Верхняя челюсть. Специалисты из Института регенеративной медицины при университете Тампере (Финляндия) умудрились вырастить верхнюю челюсть человека… в его собственной брюшной полости. Они перенесли стволовые клетки на искусственную матрицу из фосфата кальция и зашили мужчине в живот. Через 9 месяцев челюсть извлекли и поставили на место родной, удаленной из-за опухоли.
Сетчатка глаза, нервная ткань мозга. Достигнуты серьезные успехи, но пока о весомых результатах говорить рано.
Искусственные человеческие органы скоро станут выращивать в строящейся при Военно-медицинской академии имени Кирова клинике в Санкт-Петербурге. Решение о строительстве клиники принял министр обороны. Многопрофильный центр планируют оснастить самым современным оборудованием, которое позволит самым подробным образом изучать стволовые клетки. Научно-технический отдел, который займётся клеточными технологиями, уже сформирован.
«Основным направлением работы отдела станет создание биологического банка и создание возможностей для выращивания искусственных органов, - говорит начальник отдела организации научной работы и подготовки научно-педагогических кадров академии Евгений Ивченко. - Российские учёные давно работают над искусственными органами».
Два года назад завотделом Федерального научного центра трансплантологии и искусственных органов имени академика В.И. Шумакова Мурат Шагидулин сообщил о создании искусственного аналога печени, пригодного для пересадки. Учёные смогли получить искусственную печень и протестировать её в доклинических условиях. Орган вырастили на основе бесклеточного каркаса печени, из которой заранее по специальной технологии удалили все ткани. Остались только белковые структуры кровеносных сосудов и других компонентов органа. Каркас засеяли аутологичными клетками костного мозга и печени. Эксперименты на животных показали: если выращенный элемент имплантировали в печень или брызжейку тонкой кишки, он способствовал регенерации тканей и давал полное восстановление функции повреждённого органа. Животные представляли собой модели острой и хронической печёночной недостаточности. И выращенный элемент позволял увеличить выживаемость в два раза. Спустя год после имплантации все животные были ещё живы. Между тем в контрольной группе умерло около 50% особей. Через семь дней после имплантации в основной группе биохимические показатели функции печени уже были на уровне нормы. По прошествии 90 дней после пересадки в брызжейку тонкой кишки учёные нашли там жизнеспособные гепатоциты и новые сосуды, которые проросли через каркас элемента.
«Исследования в области создания таких сложных биоинженерных органов, как печень, почки, лёгкие и сердце, в последние годы ведутся в ведущих научных лабораториях США и Японии, но дальше стадии изучения на животной модели они пока не продвинулись, - комментирует заведующий отделом экспериментальной трансплантологии и искусственных органов Центра Мурат Шагидулин. - Наши опыты на животных прошли хорошо. Спустя три месяца после трансплантации в телах животных обнаружили здоровые клетки печени и новые кровеносные сосуды. Это говорило о протекавшем процессе регенерации пересаженной печени и том, что она прижилась».
Японские учёные из Университета Йокогамы сумели вырастить печень размером в несколько миллиметров. Они смогли сделать это благодаря индуцированным плюрипотентным стволовым клеткам (iPSCs). Выращенная печень работает как полноценный орган. По словам руководителя исследовательской группы профессора Хидэки Танигути, минипечень справляется с переработкой вредных веществ столь же эффективно, что и реальный человеческий орган. Учёные надеются начать клинические испытания искусственной печени в 2019 г. Новые, созданные в лаборатории органы, будут пересаживать пациентам с тяжёлыми заболеваниями печени для поддержания её нормальных функций.
Несколько ранее японские учёные лабораторным путём почти приблизились к новейшему открытию - созданию полностью функционирующих почек, способных заменить настоящие. До этого прототипы искусственной почки создавались. Но им не удавалось нормально выводить мочу (раздувались от давления). Однако японцы исправили ситуацию. Специалисты уже вполне успешно пересаживают искусственные почки свиньям и крысам.
Доктор Такаси Йооко и его коллеги из Медицинской школы Университета Дзинкей использовали стволовые клетки, но не просто вырастили ткани почки, а вырастили и дренажную трубку, и мочевой пузырь. В свою очередь, крысы, а потом и свиньи, были инкубаторами, в которых уже развивалась и росла эмбриональная ткань. Когда новую почку соединили с существовавшим в теле животных мочевым пузырем, система заработала в целом. Моча шла из пересаженной почки в пересаженный мочевой пузырь, и лишь после этого она попадала в мочевой пузырь животного. Как показали наблюдения, система работала и через восемь недель после трансплантации.
По словам учёных, в перспективе, возможно, удастся создать и полноценные имплантаты голосовых связок для людей. Исследователи собрали фрагменты ткани четырёх людей, страдающих проблемами с голосовыми связками. Этим пациентам связки были удалены. Была также забрана ткань у одного умершего донора. Специалисты изолировали, очистили и вырастили клетки слизистой оболочки в особой трёхмерной структуре, имитирующей среду тела человека. Примерно за две недели клетки срослись и сформировали ткань, напоминающую по эластичности и клейкости реальные голосовые связки. Потом специалисты присоединили полученные голосовые связки к искусственной трахее и пропустили через них увлажнённый воздух. Когда воздух доходил до связок, ткани вибрировали и продуцировали звук, как бы это происходило при нормальных условиях в организме. В ближайшее время врачи ждут закрепления полученного результата на нуждающихся в нём людях.
Пообщалась с профессором Паоло Маккиарини , который вот уже 6 лет успешно занимается трансплантацией человеческих органов, выращенных из стволовых клеток пациента в лаборатории.
Что предсказывали фантасты и пророки
Последние 5 лет исследовательские лаборатории по всему миру активно занимаются выращиванием новых человеческих органов из стволовых клеток пациентов. СМИ пестрят сообщениями о созданных в лабораторных условиях ушах, хрящах, сосудах, коже и даже половых органах. Похоже, совсем скоро производство человеческих «запчастей» приобретет промышленные масштабы, и наступит предсказанная фантастами «эра постчеловека». Эра, которая поставит каждого перед дилеммой: продлить себе жизнь или умереть и остаться бессмертным в генах потомков.
Футурологи предрекали до появления «постчеловека» создание «трансчеловека». Совсем незаметно миллионы землян уже стали «транслюдьми»: это «дети из пробирок», люди с имплантами зубов и донорскими органами. Когда всё это вошло в нашу жизнь, последней цитаделью, которую должны были однажды покорить ученые, стало, пожалуй, выращивание человеческих «запчастей» в лаборатории.
Человечество всегда грезило этим. Классик научной фантастики Артур Кларк не сомневался, что ученые овладеют регенерацией в 21 веке, а его коллега Роберт Хайнлайн писал, что «тело будет чинить само себя - не заращивать раны шрамами, а воспроизводить утерянные органы ». Болгарская провидица Ванга предсказала возможность создания любых органов в 2046, назвав это достижение лучшим методом лечения. Знаменитый француз-прорицатель Нострадамус предсказал до 2015 революционные изменения в науке, в результате которых будут проводить операции с выращенными органами.
Если вы не доверяете пророкам, то вот прогноз от политиков. В 2010 британская The Daily Telegraph опубликовала доклад правительства Великобритании, посвященный профессиям, которые станут самыми востребованными в ближайшее десятилетие и к которым следует готовиться будущим участникам рынка труда. Возглавили список «производители искусственно выращенных органов», а на втором месте оказались «наномедики», которые будут заниматься научными разработками в этой сфере. В той же статье британский министр науки и инноваций Пол Дрейсон заявил, что эти профессии более не относятся к области научной фантастики.
Паоло Маккиарини в лаборатории.
Что сбылось
Мы беседуем в модном нью-йоркском ресторане Lavo. Публика, окружающая нас, и не подозревает, что мой собеседник - историческая личность, чьи научные достижения разглядел в далеком 16 веке королевский астролог Мишель де Нострадамус. Его зовут Паоло Маккиарини. Он первым в мире вырастил человеческий орган из стволовых клеток пациента в лаборатории, а затем успешно имплантировал его.
Профессор Маккиарини родился в Швейцарии в 1958, образование получал в Италии, США и Франции. Владеет пятью языками. Один из пионеров регенеративной медицины в мире. Специалист в области тканевой инженерии и стволовых клеток, он одновременно является ученым-биологом и действующим хирургом-трансплантологом. Возглавляет Центр регенеративной хирургии в шведском Каролинском институте (Комитет этого института определяет лауреатов Нобелевской премии в области физиологии и медицины).
Паоло Маккиарини - обладатель почетных научных наград, автор сотни публикаций в ведущих научных журналах мира, кавалер ордена Итальянской Республики «За заслуги в области науки», новатор и пионер в области выращивания и имплантации трахеи, созданной из стволовых клеток пациента. Этот список регалий рисует портрет недоступного и важного ученого мирового масштаба. Личное общение меняет это представление. Харизматичный и невероятно обаятельный, душа компании, красивый и элегантный, открытый и добрый. Неудивительно, что большинство отчаявшихся когда-то пациентов, которых он после прооперировал, без особых усилий нашли его через Google, введя в поисковик запросы «регенеративная медицина» или «стволовые клетки». У Маккиарини нет ассистентов и помощников - он лично отвечает на письма и ведет переговоры.
В 2008 все мировые СМИ облетела сенсационная новость. Международная группа ученых во главе с профессором Маккиарини провела первую в истории операцию по пересадке пациентке трахеи, выращенной из ее клеток на каркасе в биореакторе.
Трахея - жизненно важный орган. Эта, говоря простым языком, трубка длиной 10-13 см соединяет нос и легкие, а следовательно, обеспечивает дыхание и поступление кислорода в организм. Прежде пересадка трахеи (например, донорской) была невозможна. Так, благодаря Маккиарини, впервые пациенты с травмами, опухолями и другими нарушениями трахеи получили шанс на выздоровление.
На сегодняшний день профессор сделал около 20 операций по пересадке «выращенной» трахеи.
Маккиарини в фокусе США и России
Профессор Маккиарини с каркасом трахеи.
Достижения европейского ученого не остались не замеченными в США. Летом 2014 американская телекорпорация NBC сняла о Маккиарини 2-часовой документальный фильм «A Leap of Faith» («Прыжок веры»), в котором подробно показаны все этапы «выращивания» человеческого органа, снабженные интервью и историями всех пациентов. Создателям картины удалось передать зрителям и бешеный график профессора, который спит в самолетах, накануне трансплантации ночует возле «выращенного» органа, дает мастер-классы и делает сложнейшие операции по всему миру, а также дружит с семьями пациентов, которым, увы, его операция лишь продлила жизнь, но не смогла избавить от первоначальной необратимой болезни.
В фильме объективно затронута и обратная сторона успеха профессора, который пережил волну международной критики за экспериментальные операции на людях. Неоднократно в обществе поднимались вопросы биоэтики. В интервью авторам фильма ученый признался, что такое давление не раз приводило его к мысли бросить всё, но успешные операции возвращали веру. К тому же идею от первой имплантации разделяло почти 25 лет исследований, за которые он выработал свой девиз: «Никогда не сдаваться».
Пристально следила за «выращиванием органов» и Россия. Чтобы не упустить ученого такого калибра, российское правительство выделило в 2011 беспрецендентный грант в размере 150 млн рублей . Осваивать эти деньги Маккиарини предложили на базе Кубанского медицинского университета в Краснодаре.
16 российских специалистов профессор направил на учебу в свой родной Каролинский институт и планирует сделать из них ученых мирового класса. Самому Маккиарини грант позволил не думать о поиске спонсоров и сосредоточиться на спасении жизни пациентов, которых он уже оперирует бесплатно в Краснодаре за счет гранта. Можно сказать, что благодаря профессору Россия создает ведущую в мире лабораторию по созданию человеческих органов.
Все тот же российский грант позволил Маккиарини применить свое ноу-хау для создания уже других органов. Так, полным ходом идут успешные эксперименты по выращиванию сердца крысы, совместно с Техасским институтом сердца планируется вырастить сердце для примата. В процессе - проект по выращиванию пищевода и диафрагмы. И это - только начало новой эры в биоинженерии. В скором будущем технологии должны достичь совершенства, пройти клинические испытания и встать на поток. Тогда больные перестанут умирать, не дождавшись донора, а тем, кому пересадят выращенный из собственных клеток орган, не нужно будет принимать всю жизнь иммуноподавляющие препараты во избежание отторжения.
Фото из архива Паоло Маккиарини
Каркас трахеи “обрастает” стволовыми клетками пациента в биореакторе.
Трахею можно вырастить за 48 часов, сердце - за 3-6 недель
F : Профессор Маккиарини, то, что вы делаете, для простого обывателя звучит фантастически. Например, как вы выращиваете орган отдельно от тела человека?
Если вы думаете, что в лаборатории вырастает целая трахея, - это глубокое заблуждение. На самом деле мы берем каркас определенного органа, изготовленного по размерам пациента из нанокомпозитного материала. Затем засеиваем каркас стволовыми клетками пациента, взятыми из его же костного мозга (клетки-монуклеары) и помещаем в биореактор. В нем клетки «приживаются» (прикрепляются) к каркасу. Полученную основу мы имплантируем на место поврежденной трахеи, и именно там, в теле пациента, в течение нескольких недель формируется необходимый орган.
F : Что такое биореактор? И сколько времени занимает выращивание органа?
Биореактор - это устройство, в котором созданы оптимальные условия для роста и размножения клеток. Он обеспечивает им питание, дыхание, отводит продукты обмена веществ. В течение 48-72 часов каркас обрастает этими клетками, и «выращенная трахея» готова для пересадки больному. А вот для выращивания сердца потребуется 3-6 недель.
F : А как клетки из костного мозга вдруг «превращаются» в клетки именно трахеи после пересадки? Это и есть загадочная «самоорганизация клеток в сложные ткани»?
Основной механизм «превращения» точно еще не изучен, но есть основания полагать, что клетки костного мозга сами изменяют свой фенотип, чтобы стать, например, клетками трахеи. Это преобразование происходит благодаря местным и системным сигналам организма.
F : Бывали ли случаи, когда орган, созданный из клеток самого пациента, все равно отторгался или плохо приживался?
Так как используются собственные клетки пациента, мы ни разу не наблюдали каких-либо отторжений органа после пересадки. Тем не менее, мы зафиксировали развитие реагирующих тканей, которые связаны больше с биомеханикой нового органа, но не клетки.
F : Какие еще органы вы собираетесь выращивать в лаборатории?
В области тканевой инженерии (tissue engineering) мы сейчас работаем над выращиванием диафрагмы, пищевода, легких и сердца для мелких животных и для нечеловекообразных приматов.
F : Какие органы вырастить сложнее всего?
Самое сложное для биоинженеров - вырастить 3D-органы: сердце, печень и почки. Вернее, вырастить их можно, но трудно заставить их выполнять свои функции, вырабатывать необходимые вещества, потому что у этих органов самые сложные функции. Но уже достигнут определенный прогресс, так что рано или поздно этот тип трансплантации, как ожидается, станет реальностью.
F : Но в последнее время стволовые клетки ассоциируются со стимулированием развития рака...
Уже доказано, что местные стволовые клетки могут ускорить процесс развития опухоли, но, главное, они не вызывают рак. Если эта взаимосвязь подтвердится и в других типах опухолей, это поможет ученым разработать лекарства или факторы роста, которые, наоборот, будут атаковать или блокировать рост опухоли. В конечном счете, это может на самом деле открыть дверь к новым средствам лечения рака, которые пока не доступны.
F : Манипуляции со стволовыми клетками пациента в лаборатории до пересадки влияют на качество этих клеток?
В нашей клинической практике такого никогда не было.
F : Читала, что даже выращивание мозга входит в ваши планы. Разве это возможно со всеми нейронами?
Используя достижения в области тканевой инженерии, мы пытаемся разработать мозговое вещество, которое может быть использовано для нейрогенной регенерации в случае утраты мозгового вещества. Вырастить весь мозг, увы, невозможно.
F : Уверена, что многих интересует финансовый вопрос. Сколько стоит, например, вырастить и имплантировать трахею?
Как для меня, так и для моих пациентов спасение жизни и возможность выздоровления важнее всех денег на Земле. Однако мы имеем дело с экспериментальной хирургией, а это дорогостоящий метод лечения. Но наша команда всегда старается смягчить расходы по трансплантации для пациентов. Стоимость сильно варьируется в зависимости от страны. В Краснодаре, благодаря гранту, операция по пересадке трахеи составляет всего $15 тыс . В Италии подобные операции обходились в $80 тыс. , а первые операции в Стокгольме стоили около $ 400 тыс.
F : С внутренними органами все понятно. А есть ли возможность выращивать конечности? Возможна ли пересадка рук, ног?
Пока, к сожалению, нет. Но такие пациенты получили, помимо протезирования, новый метод успешной замены конечностей - с помощью 3D-биопринтера.
Эликсир молодости - внутри каждого из нас
Фото из архива Паоло Маккиарини.
Человеческое сердце и легкое в биореакторе (в процессе “выращивания”).
F : В одном из интервью вы сказали что ваша мечта - навсегда забыть о выращивании и трансплантации органов, заменив ее на инъекции стволовых клеток пациента из его костного мозга для регенерации поврежденных тканей организма. Через сколько лет такой метод станет доступным?
Да, это моя мечта, и мы ежедневно напряженно работаем, чтобы однажды она осуществилась. И, кстати, мы не так уж далеко от цели!
F : Может ли метод использования стволовых клеток помочь обездвиженным людям с травмами позвоночника?
На этот вопрос очень сложно ответить. Многое зависит от пациента, от степени повреждения, от размеров пораженного участка, от времени... Однако лично я считаю, что терапия стволовыми клетками имеет огромный потенциал в этой области.
F : Получается, панацея от всех болезней и эликсир молодости найдены: это - стволовые клетки костного мозга. Рано или поздно метод регенерации любых тканей этими клетками станет доступным и массовым. Что дальше? Люди получат возможность выращивать новые органы, омолаживать дряхлеющие ткани и неоднократно продлять жизнь? Есть ли предел у организма при таких манипуляциях или можно достичь бессмертия?
Думаю, мы не сможем кардинально изменить прекрасные творения природы. На этот вопрос сложно дать прямой ответ, так как в науке еще столько неизвестного. Плюс это будет вызов социальным и этическим вопросам. В будущем возможно всё, но в данный момент наша задача - спасать жизни пациентов, чей единственный шанс - регенеративная медицина.
F : Насколько велика сейчас международная конкуренция в области выращивания органов? Какие страны лидируют в этой сфере?
Если ответить коротко, лидерами станут те страны, которые уже сейчас инвестируют в регенеративную медицину.
F : Планируете ли вы сами лет через 20, например, воспользоваться новыми технологиями для омоложения своего организма?
Скорее всего, нет. Для тех, кто ищет эликсир молодости, предлагаю отбросить все медицинские и научные достижения в сторону. Лучший метод омоложения - это любовь. Любите и будьте любимыми!
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.
Еще вчера казалось, что производство запасных органов для нашего хрупкого тела - занятная фантастика, которая, кто знает, может, и реализуется в далеком будущем. А сегодня мы беседуем с человеком, благодаря которому выращивание новых органов стало реальностью и спасением для первых пациентов. Не менее удивительным кажется, что самые новаторские операции по трансплантации созданных в лаборатории органов и самые передовые исследования в области регенеративной медицины проводятся не где-нибудь, а у нас в Краснодаре
Паоло Маккиарини часто произносит слово «фантастика», когда хочет что-нибудь похвалить. Темпераментный, как герой итальянского фильма, он легко переходит от отчаянных восклицаний вроде «Все хотят моей смерти!» (это о коллегах-завистниках) к бурному восхищению перспективами исследований, сулящих спасение новых жизней.
Мы с Паоло ужинаем в одном из ресторанов Олимпийской деревни в Сочи - здесь проходит конференция «Генетика старения и долголетия», на которую со всего мира съехались крупнейшие специалисты в области борьбы со старением.
Несмотря на украинские события, от участия никто не отказался, а что касается Маккиарини, ему и границу пересекать не пришлось. Вообще-то он ученый планетарного масштаба - чуть ли не потенциальный лауреат Нобелевской премии.
Но уже несколько лет Маккиарини руководит Центром регенеративной медицины Кубанского медицинского университета. Переманить профессора в Краснодар сумели с помощью мегагранта правительства РФ в 150 миллионов рублей. На эти деньги и был создан центр.
Здесь мне не надо гоняться за пожертвованиями и можно сосредоточиться на спасении пациентов. Кстати, записывайте - я обращаюсь к мистеру Путину: прошу выдать мне русский паспорт, как Депардье! - смеется Маккиарини.
В обмен на новое сердце для него?
Политику здесь на конференции воспринимают под довольно необычным углом зрения.
У нас есть пациент из Крыма, который ждет трансплантации трахеи с 2011 года, - рассказывает Паоло. - Я несколько раз его смотрел, но прооперировать не мог: ему пришлось бы платить за это, больница не может принять бесплатно иностранного гражданина. Но сейчас Россия захватила… ой, то есть присоединила Крым, и мы сможем сделать ему операцию бесплатно - вот этому я очень рад! В начале июня будем оперировать.
Как выращивают органы
Технология производства трахеи, разработанная Маккиарини, - гордость и главное достижение регенеративной хирургии, новаторского направления медицины, которое занимается выращиванием органов. В 2008 году он первым в мире провел операцию по пересадке пациентке трахеи, выращенной из ее собственных стволовых клеток на донорском каркасе в биореакторе, в 2009-м осуществил другую уникальную операцию: на этот раз орган был сформирован внутри тела пациента без использования биореактора. Наконец, в 2011 году провел первую операцию по трансплантации человеческого органа, целиком выращенного в лаборатории на искусственном каркасе, то есть без использования донорских органов.
В Россию Маккиарини впервые приехал в 2010-м - по приглашению фонда «Наука за продление жизни» провел в Москве мастер-класс по регенеративной медицине. Вскоре он сделал первую в России операцию по трансплантации трахеи девушке, которая после автомобильной катастрофы не могла разговаривать и даже ходить из-за проблем с дыханием. Девушка выздоровела, Маккиарини выиграл мегагрант и стал проводить свои операции у нас в стране, все время добавляя в них что-то новое. Так, недавно он вместе с искусственной трахеей пересадил пациентке часть гортани.
Как можно вырастить орган отдельно от самого человека? - не могу я взять в толк.
Вообще говоря, это невозможно. Из клеток взрослого человека целый орган вырастить не получится. Помимо клеток нужно кое-что еще - донорский орган или искусственный каркас.
Вначале мы делали так: брали орган донора - человека или животного (обычно свиньи) и освобождали его от генетического материала, то есть от клеток. Для этого орган помещали в специальную жидкость, растворяющую мышечные ткани и другие клетки, чтобы остался лишь каркас из соединительной ткани, сетка волокон. У любого органа есть каркас, придающий ему форму, - называется внеклеточный матрикс. Каркас очищенного от клеток органа, взятого у свиньи, не отторгается иммунной системой человека, но там все равно есть проблемы: можно случайно занести вирус, ну, и у многих людей это вызывает неприятие, например у мусульман. Так что лучше всего было использовать каркас человеческого сердца, взятого у погибшего донора.
Но в 2011 году мы освоили технологию, не требующую доноров вообще, - создание синтетического каркаса. Он производится по размерам пациента, это такая трубка из упругого и пластичного нанокомпозитного материала. Это настоящий прорыв: синтетический каркас освобождает нас от доноров - а для детей, например, их чаще всего и не найти, - снимает вопросы биоэтики и делает операцию намного более доступной.
Но как из этой трубки сделать живой работающий орган?
В биореакторе!
Это что-то вроде биопринтера?
Нет, - смеется Маккиарини, - биопринтер позволяет производить простые ткани, сосуды например, но не сложные органы. А биореактор - это устройство, в котором созданы оптимальные условия для роста и размножения клеток. Он обеспечивает им питание, дыхание, отводит продукты обмена. В биореакторе мы засеиваем на каркас мононуклеары - клетки пациента, выделенные из костного мозга. Это такой вид стволовых клеток, способных превратиться в специализированные клетки разных органов. Каркас в течение 48 часов обрастает этими клетками, а мы побуждаем их превратиться в клетки трахеи. И орган готов, его можно пересаживать пациенту. Организм его не отторгает, ведь он выращен из клеток самого пациента.
Мозг, сердце и пенис
Вы ведь не собираетесь ограничиваться трахеей?
Следующими будут пищевод и диафрагма. Сейчас мы испытываем их на животных. А потом вырастим первое работающее сердце - видимо, в коллаборации с Техасским институтом сердца.
На Кубани есть питомник обезьян для медицинских исследований - если все получится, мы будем испытывать на них работу выращенного в лаборатории сердца. Вообще говоря, здесь многие такие вещи сделать гораздо проще, чем в Европе или США. Так что через несколько лет эта технология дойдет до клиники. Есть хорошие шансы, что первое человеческое сердце будет выращено в России.
А какие органы требуются чаще всего?
Ко мне часто обращаются со странными запросами. Однажды президент, кажется, Всемирного общества гомосексуалистов попросил сделать ему пенис.
Второй пенис - интересная мысль!
Да нет, единственный, почему-то его не было. Но я не смог ему помочь, ничего в пенисах не понимаю. И матку просили сделать. Люди ведь хотят не только продления жизни, и несчастны они не только из-за болезней - им не дают покоя всякие безумные желания.
Но мы не занимаемся всеми этими модными вещами. Что мы действительно пытались сделать - это вырастить яички, потому что очень много детей страдает раком яичек или их врожденными аномалиями. Но, к сожалению, стволовые клетки не получается превратить в клетки яичек, и мы вынуждены были остановить эти исследования.
А вообще, конечно, мы стараемся работать над тем, что больше всего нужно нашим пациентам. Вот Елена Губарева сейчас делает очень важный проект по выращиванию диафрагмы. Если все получится, это спасет тысячи детей, которые рождаются без диафрагмы и умирают из-за этого.
Какие органы сложнее всего будет вырастить?
Сердце, печень, почки. То есть вырастить их нетрудно - сегодня вполне реально создать любые органы и ткани. А вот заставить их нормально функционировать, вырабатывать необходимые организму вещества очень сложно. Выращенные в лаборатории, они перестают работать уже через несколько часов. Проблема в том, что мы недостаточно хорошо понимаем, как они работают.
Но, может, нам и не нужно будет их выращивать - я мечтаю о том, чтобы использовать стволовые клетки для восстановления работоспособности этих органов. Можно ведь стимулировать процессы регенерации в самом организме. Это просто фантастически привлекательное и дешевое решение: любой человек даже в самой бедной стране имеет собственные стволовые клетки, и не нужно никаких операций по трансплантации органов!
Много нужно времени, чтобы вырастить человеческий орган?
Зависит от его сложности. Трахею мы выращиваем за 3-4 дня, для сердца потребуется 3 недели.
А мозг можно вырастить?
Да, я мечтаю поймать некоторых политиков и заменить им мозг. И яйца заодно. Но если серьезно, выращивание мозга входит в мои планы.
Да ведь в мозгу главное - бесчисленные связи между нейронами, как их воссоздать?
Все обычно переусложняют эту проблему, все гораздо проще. Речь, конечно, не о замене всего мозга. Допустим, я подстрелил вас. У вас ранение в голову, вы потеряли часть мозга, но выжили. А если заменить эту нефункционирующую часть субстратом, функция которого - вызывать рост нейронов, притягивая их из других частей мозга? Тогда поврежденная часть со временем восстановится, постепенно вовлекаясь в деятельность мозга и обрастая связями. Это могло бы полностью изменить жизнь тысяч пациентов!
Мечты и разочарования
Как к вашим успехам относятся коллеги?
Ох, сложная это тема, - грустнеет Маккиарини. - Когда вы делаете что-то совсем новое, впервые в истории, вас всегда ругают. И пройдет столько времени, прежде чем люди примут то, что вы делаете! Меня до сих пор критикуют, и жестко, ведь я делаю безумные, небывалые вещи. Люди бывают очень ревнивы к успеху коллег: меня много атаковали, пытались максимально осложнить мне работу, иногда очень грязными способами.
Что самое сложное в вашей работе и жизни?
В моей жизни? Да у меня нет частной жизни. Все так запущено! Самое сложное - отнюдь не наука, а эти атаки коллег, их ревность. Если б они хотя бы делали это с уважением! Нет, тотальное неуважение, никаких человеческих отношений, только конкуренция. Я опубликовал десятки статей в ведущих научных журналах, но мне по-прежнему заявляют, что у меня нет доказательств, что наши методы работают. Они готовы критиковать все на свете, даже как я в туалет хожу.
У меня столько проблем из-за этой ревности, на меня все время адски давят. Наверное, это цена, которую должен заплатить каждый первопроходец. Но ведь мы спасем жизни - это так прекрасно, это стоит любых атак… Стойте, я хочу тирамису! Тирамису! Тирамису! И американо, пожалуйста.
О чем вы мечтаете?
В личном плане? Сесть в лодку и уплыть подальше от всех. И больше никаких контактов с этим миром. Только я и моя собака - мне достаточно. А в профессиональном плане мечтаю о том, чтобы спасать людей без трансплантации органов - путем клеточной терапии. Вау! Это было бы фантастически, просто фантастически здорово!
Когда технология выращивания органов станет массово доступной в развитых странах?
Технология выращивания трахеи уже отработана почти до совершенства. Если мы будем продолжать клинические испытания в Краснодаре, года через два накопится достаточно доказательств, что этот метод безопасен и эффективен, и его начнут применять в других местах. Это зависит от числа пациентов прежде всего, ну, и от многих других вещей. А я буду заниматься пищеводом, диафрагмой, сердцем… Думаю, прогресс будет быстрым, особенно в России. Запасайтесь терпением и ждите - сами все увидите.
Интересно, а новое тело для моего мозга можно будет вырастить?
Это еще зачем?
Чтобы продлить жизнь и молодость, конечно.
Не понимаю, зачем вам опять молодое тело, чтобы покорить тысячи девушек? Скучно же жить слишком долго.
Что-то мне пока не становится скучно, скорей наоборот.
Ну не знаю. Меня уже тошнит от этой жизни! Вы, русские, всегда призываете всех бороться со старением. Вы философы и мечтатели, вам кажутся ужасно важными чисто философские проблемы.
Да что ж тут философского, что может быть естественней любви к жизни?
Вы хотите бороться с природой, а я считаю, наши тела уже совершенны. Посмотрите на себя. Нет, лучше не на себя, а на девушек - природа сотворила их совершенными, кто я такой, чтобы бороться с ней?
Вы уже боретесь, делая операции.
Надо же, какой необычный у нас разговор начался. Такие только в России случаются…
Мы спорили еще долго - пока нас не выставили из закрывающегося ресторана.
Кого еще удалось сманить в Россию с помощью мегагрантов
Цель программы мегагрантов - привлечь ведущих мировых ученых в российские вузы. Уже состоялось четыре таких конкурса. Первый прошел в 2010-м, последний - в 2014 году. В резуль-тате мегагранты получили 163 российских и зарубежных ученых. Среди них немало знаменитостей, есть даже несколько нобелевских лауреатов. «РР» знакомит с некоторыми из них
Сидней Альтман
Лауреат Нобелевской премии по химии 1989 года, профессор Йеля, займется разработкой антибактериальных и антивирусных препаратов в Институте химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН в Новосибирске.
Йорн Тиде
Известный немецкий специалист в области морской геологии и глубоководного бурения, возглавил лабораторию «Палеогеография и геоморфология полярных стран и Мирового океана» на факультете географии и геоэкологии СПбГУ, которая занимается изучением изменений климата в Арктике и обоснованием права России на арктический шельф.
Рональд Инглхарт
Политолог и социолог из США, профессор Мичиганского университета, занимается сравнением ценностных ориентиров в разных странах; в России работает в Высшей школе экономики.
Симомура Осаму
Лауреат Нобелевской премии по химии 2008 года, создатель зеленых светящихся кроликов и поросят, исследует биолюминесценцию в красноярском Сибирском федеральном университете.
Антонио Луке Лопес
Физик, изобретатель и миллионер, профессор Мадридского университета, занимается в питерском физтехе разработкой новых типов солнечных батарей.
Марио Биаджоли
Профессор факультета исследований науки и технологий в Калифорнийском университете в Дэвисе, руководит исследованиями социологии научного и технологического предпринимательства в Европейском университете в Санкт-Петербурге.
Павел Певзнер
Директор программы по биоинформатике и системной биологии в Университете Калифорнии (Сан-Диего), директор Национального центра по вычислительной масс-спектрометрии, создает уникальную для России лабораторию алгоритмической биологии, где ученые займутся чтением геномов.
