Новые технологии позволят выращивать органы. Уникальная методика выращивания органов для пересадки из клеток самого пациента появится в россии
Постиндустриальные темпы развития человечества, а именно науки и техники, велики настолько, что их невозможно было представить еще 100 лет назад. То, о чем раньше можно было прочитать только в научно-популярной фантастике, теперь появилось и в реальном мире.
Уровень развития медицины 21-го века выше, чем когда-либо. Заболевания, считавшиеся смертельно опасными раньше, в наши дни успешно лечатся. Однако еще не решены проблемы онкологии, СПИДа и множества других заболеваний. К счастью, в ближайшем будущем для этих проблем найдется решение, одним из которых послужит выращивание органов человека.
Основы биоинженерии
Наука, использующая информационный базис биологии и пользующаяся аналитическим и синтетическим методами для решения своих задач, зародилась не так давно. В отличие от обычной инженерии, которая для своей деятельности применяет технические науки, по большей части математику и физику, биоинженерия идет дальше и пускает в ход инновационные методы в виде молекулярной биологии.
Одной из главных задач новоиспеченной научно-технической сферы является выращивание искусственных органов в лабораторных условиях с целью их дальнейшей пересадки в тело пациента, у которого отказал из-за повреждения или в силу изношенности тот или иной орган. Опираясь на трехмерные клеточные структуры, ученые смогли продвинуться в изучении влияния различных болезней и вирусов на деятельность человеческих органов.
К сожалению, пока это не полноценные органы, а лишь органоиды - зачатки, незаконченная совокупность клеток и тканей, которые можно использовать только в качестве экспериментальных образцов. Их работоспособность и уживчивость проверяются на подопытных животных, в основном, на разных грызунах.
Историческая справка. Трансплантология
Росту биоинженерии как науки предшествовал долгий период развития биологии и других наук, целью которых было изучение человеческого тела. Еще в начале 20-го века толчок своему развитию получила трансплантология, задачей которой было изучение возможности пересадки органа донора другому человеку. Создание методик, способных консервировать на некоторое время донорские органы, а также наличие опыта и детальных планов по трансплантации позволили хирургам со всего мира в конце 60-х годов успешно пересадить такие органы, как сердце, легкие, почки.
На данный момент принцип трансплантации является наиболее действенным в случае, если пациенту угрожает смертельная опасность. Основная проблема заключается в остром дефиците донорских органов. Больные могут годами ждать своей очереди, так ее и не дождавшись. Кроме того, существует высокий риск того, что пересаженный донорский орган может не прижиться в теле реципиента, так как иммунной системой пациента он будет рассматриваться в качестве инородного предмета. В противоборство данному явлению были изобретены иммунодепрессанты, которые, однако, скорее калечат, чем лечат - иммунитет человека катастрофически ослабевает.
Преимущества искусственного создания над трансплантацией
Одно из главных конкурентных отличий метода выращивания органов от их пересадки от донора заключается в том, что в лабораторных условиях органы могут производиться на основе тканей и клеток будущего реципиента. В основном, используются стволовые клетки, обладающие способностью дифференцироваться в клетки определенных тканей. Данный процесс ученый способен контролировать извне, что существенно снижает риск будущего отторжения органа иммунной системой человека.
Более того, с помощью метода искусственного выращивания органов можно производить их неограниченное количество, тем самым удовлетворяя жизненно важные потребности миллионов людей. Принцип массового производства значительно снизит цены на органы, спасая миллионы жизней и значительно увеличивая выживаемость человека и отодвигая дату его биологической смерти.
Достижения биоинженерии
На сегодняшний день ученые в состоянии выращивать зачатки будущих органов - органоиды, на которых испытывают различные болезни, вирусы и инфекции с целью проследить процесс заражения и разработать тактику противодействия. Успешность функционирования органоидов проверяют посредством их трансплантации в тела животных: кроликов, мышей.
Стоит также отметить, что биоинженерия достигла определенных успехов в создании полноценных тканей и даже в выращивании органов из стволовых клеток, которые, к сожалению, пока невозможно пересадить человеку в силу их неработоспособности. Однако на данный момент ученые научились создавать искусственным путем хрящи, сосуды и другие соединительные элементы.
Кожа да кости
Не так давно у ученых Колумбийского университета получилось создать фрагмент кости, по структуре схожий с суставом нижней челюсти, соединяющим ее с основанием черепа. Фрагмент был получен посредством использования стволовых клеток, как и при выращивании органов. Чуть позже израильской компании Bonus BioGroup удалось изобрести новый метод воссоздания человеческой кости, который был с успехом испробован на грызуне - искусственно выращенная кость была пересажена в одну из его лап. В данном случае опять же были использованы стволовые клетки, только получены они были из жировой ткани пациента и в последующем помещены на гелеобразный каркас кости.
Начиная с 2000-х годов, для лечения ожогов доктора применяют специализированные гидрогели и методы естественной регенерации поврежденных участков кожи. Современные же экспериментальные методики позволяют вылечивать сильнейшие ожоги за несколько дней. Так называемый Skin Gun распыляет особую смесь со стволовыми клетками пациента на поврежденную поверхность. Также наблюдаются крупные успехи в создании стабильно функционирующей кожи с кровеносными и лимфатическими сосудами.
Недавно ученым из Мичигана удалось вырастить в лабораторных условиях часть мышечной ткани, которая, правда, вдвое слабее оригинальной. Точно так же ученые в Огайо создали трехмерные ткани желудка, которые были в состоянии производить все необходимые для пищеварения ферменты.
Японские же ученые совершили почти невозможное - вырастили полностью функционирующий человеческий глаз. Проблема трансплантации заключается в том, что присоединить зрительный нерв глаза к головному мозгу пока не представляется возможным. В Техасе искусственным путем в биореакторе удалось также вырастить легкие, но без кровеносных сосудов, что ставит под сомнение их работоспособность.
Перспективы развития
Совсем недолго осталось до того момента в истории, когда человеку можно будет пересадить большинство органов и тканей, созданных в искусственных условиях. Уже сейчас ученые со всего мира располагают разработками проектов, экспериментальными образцами, некоторые из которых не уступают оригиналам. Кожу, зубы, кости, все внутренние органы по прошествии некоторого времени можно будет создавать в лабораториях и продавать нуждающимся людям.
Новые технологии также ускоряют развитие биоинженерии. 3D-печать, получившая распространение во многих сферах человеческой жизни, будет полезной и в рамках выращивания новых органов. 3D-биопринтеры уже экспериментально используются с 2006 года, а в будущем они смогут создавать трехмерные работоспособные модели биологических органов, перенося культуры клеток на биосовместимую основу.
Общий вывод
Биоинженерия как наука, целью которой является выращивание тканей и органов для их дальнейшей трансплантации, зародилась не так давно. Семимильный темп, в котором она шагает по пути прогресса, характеризуется существенными достижениями, которые в будущем спасут миллионы жизней.
Выращенные из стволовых клеток кости и внутренние органы сведут на нет нужду в донорских органах, количество которых и так находится в состоянии дефицита. Уже сейчас ученые располагают множеством разработок, результаты которых пока не слишком продуктивны, но имеют огромный потенциал.
Биопринтер -- биологическая вариация технологии reprap, устройство, способное из клеток создавать любой орган, нанося клетки слой за слоем, уже создано. В декабре 2009 года американской кампанией Organovo и австралийской кампанией Invetech было разработан биопринтер, рассчитанный на мелкосерийный промышленный выпуск. Вместо того, чтобы вырастить нужный орган в пробирке, гораздо легче его напечатать -- так считают разработчики концепции.
Разработки технологии начались ещё несколько лет назад. До сих пор над данной технологией работают исследователи сразу в нескольких институтах и университетах. Но больше преуспели на этой ниве профессор Габор Форгач (Gabor Forgacs) и сотрудники его лаборатории Forgacslab в университете Миссури в рамках проекта Organ Printing, раскрывшие новые тонкости биопечати ещё в 2007 году. Для коммерциализации своих разработок профессор и сотрудники основали кампанию Organovo. Кампанией была создана технология NovoGen, которая включала в себя все необходимые детали биопечати как в биологической части, так и в части "железа".
Была разработана лазерная калибровочная система и роботизированная система позиционирования головок, точность которой составляет несколько микрометров. Это очень важно для размещения клеток в правильном положении. Первые экспериментальные принтеры для Organovo (и по её "эскизам") строила компания nScrypt (рисунок 2). Но те устройства были ещё не приспособлены для практического использования, и применялись для шлифовки технологии.
В мае 2009 года кампания Organovo выбрала в качестве промышленного партнёра медицинскую кампанию Invetech. Эта кампания обладает более чем 30-летним опытом производства лабораторного и медицинского оборудования, в том числе и компьютеризированного. В начале декабря первый экземпляр 3D-биопринтера, воплощающего в себе технологию NovoGen, был отправлен из Invetech в Organovo. Новинку отличают компактные размеры, интуитивно понятный компьютерный интерфейс, высокая степень интеграции узлов и высокая надёжность. В ближайшее время Invetech намерена поставить ещё несколько таких же аппаратов для Organovo, а она уже займётся распространением новинки в научном сообществе. Новый аппарат имеет настолько скромные габариты, что его можно будет поставить в биологический шкаф, который необходим для того, чтобы обеспечить стерильную среду в процессе печати
Надо сказать, что биопечать -- не единственный способ искусственно создавать органы. Однако, классический способ выращивания требует прежде всего изготовить каркас, задающий форму будущего органа. При этом сам каркас несёт опасность стать инициатором воспаления органа.
Преимущество биопринтера в том, что он не требует такого каркаса. Форму органа задаёт само печатающее устройство, располагая клетки в требуемом порядке. Сам биопринтер имеет две головки, наполняемые двумя типами чернил. В роли чернил в первой используются клетки различных типов, а во второй -- вспомогательные материалы (поддерживающий гидрогель, коллаген, факторы роста). «Цветов» у принтера может быть больше двух -- если требуется использовать разные клетки или вспомогательные материалы разного вида.
Особенностью технологии NovoGen является то, что печать ведётся не отдельными клетками. Принтер наносит сразу конгломерат из нескольких десятков тысяч клеток. Это есть основное отличие технологии NovoGen от других технологий биопечати.
Схема работы принтера представлена на рисунке 4.
Итак, сначала выращиваются требуемые ткани. Затем выращенная ткань нарезается цилиндрами в соотношении диаметра к длине 1:1 (пункт a). Далее -- пункт b -- эти цилиндрики на время помещаются в специальную питательную среду, где они приобретают форму маленьких шаров. Диаметр такого шара -- 500 микрометров (пол миллиметра). Оранжевый цвет ткани придаётся с помощью специального красителя. Далее, шарики загружаются в картридж (пункт c) -- который содержит пипетки, наполняемые шариками в порядке один-за-другим. Сам трёхмерный биопринтер (пункт d) должен наносить эти сфероиды с микрометровой точностью (то есть ошибка должна быть меньше тысячной доли миллиметра). Принтер также оборудуется камерами, которые способны наблюдать в реальном времени процесс печати.
Созданный образец принтера работает сразу с тремя «цветами» - два вида клеток (в последних опытах Форгача это были клетки сердечной мышцы и эпителиальные клетки) -- а третий -- это смесь, включающая в себя скрепляющий гель, содержащий коллаген, фактор роста и ряд других веществ. Эта смесь позволяет органу сохранять форму, прежде чем клетки срастутся между собой (пункт d).
По словам Габора, принтер не воспроизводит структуру органа в точности. Однако, этого и не требуется. Природная программа клеток сама корректирует структуру органа.
Схема собирания органа и срастания шаров в орган показана на рисунке 5.
В ходе экспериментов биопринтер из клеток эндотелия и клеток сердечной мышцы цыпленка напечатал «сердце» (рисунок 6). Через 70 часов шарики срослись в единую систему, а через 90 часов - «сердце» начало сокращаться. Причём клетки эндотелия сформировали структуры, подобные капиллярам. Также мышечные клетки, первоначально сокращавшиеся хаотично, с течением времени самостоятельно синхронизировались и стали сокращаться одновременно. Впрочем, к практическому использованию этот прототип сердца пока что не пригодно -- даже если вместо куриных клеток использовать человеческие -- технология биопечати должна быть ещё улучшена.
Гораздо лучше принтер справляется с созданием более простых органов -- например, кусков человеческой кожи или кровеносных сосудов. При печати кровеносных сосудов коллагеновый клей наносится не только на края сосуда, но и в середину. А затем, когда клетки сростутся, клей с лёгкостью удаляется. Стенки сосуда состоят из трех слоёв клеток -- эндотелий, гладкие мышцы и фибробласты. Но исследования показали, что в печати можно воспроизводить только один слой, состоящий из смеси этих клеток -- клетки сами мигрируют и выстраиваются в три однородных слоя. Этот факт может облегчить процесс печати многих органов. Таким образом команда Форгача уже может создавать очень тонкие и ветвящиеся сосуды любой формы. Сейчас исследователи работают над наращиванием слоя мышц на сосудах, что сделает сосуды применимыми для имплантации. Особый интерес представляют сосуды толщиной менее 6 миллиметров -- так как для больших существуют подходящие синтетические материалы.
Иллюстрация с другими экспериментами биопечати -- на рисунке 7.
Пункт a -- кольцо из двух видов биочернил. Они специально окрашены разными флуоресцирующими веществами. Ниже -- это же кольцо через 60 часов. Клетки самостоятельно срастаются. Пункт b - развитие трубки, набранной из колец, показанных на картинке. Пункт c сверху - 12-слойная трубка, составленная из клеток гладких мышечных волокон пуповины; пункт c, внизу - разветвлённая трубка прообраз сосудов для трансплантации. Пункт d - построение сокращающейся сердечной ткани. Слева показана решётка (6 на 6) из сфероидов с клетками сердечной мышцы (без эндотелия), распечатанных на коллагеновой "биобумаге". Если в те же "чернила" добавляются клетки эндотелия (второй рисунок -- красный цвет, кардиомиоциты же тут показаны зелёным), они заполняют сначала пространство между сфероидами, а через 70 часов (пункт d, справа) вся ткань становится единым целым. Внизу: график сокращения клеток полученной ткани. Как видно, амплитуда (отмерена по вертикали) сокращений составляет примерно 2 микрона, а период -- около двух секунд (время отмечено по горизонтали) (фото и иллюстрации Forgacs et al).
На рисунке 8 также приведены структура распечатанных тканей сердца (фотографии Forgacs etal).
Первые образцы 3D-биопринтера от Organovo и Invetech будут доступны для исследовательских и медицинских организаций в 2011 году.
Следует отметить, что Organovo не является единственным игроком на данном рынке. Некоторое время назад западная биотехнологическая компания Tengion представила свою технологию воссоздания органов. Между подходами Tengion и Organovo есть некоторые различия. К примеру две технологии по-разному подходят к организации живых клеток в группы для создания тканей, кроме того принтеры компаний по-разному подходят к проблеме получения образцов и генного анализа. В обеих компания отмечают, что сталкиваются с одними и теми же трудностями - довольно сложно воспроизводить сложные ткани, оба принтера очень долго настраиваются на один тип трехмерной печати. Также разработка самого принтера -- это лишь часть задачи. Также требуется создать специальное программное обеспечение, которое поможет моделировать ткань перед печатью и быстро перенастроить принтер. Сам принтер должен справится с созданием сложнейшего органа за несколько часов. По тонким капиллярам следует как можно скорее подавать питательные вещества, иначе орган погибнет. Тем не менее, обе компании имеют одинаковую конечную цель - «печать» органов человека.
Поначалу оборудование будет использоваться в исследовательских целях. Например, напечатанные фрагменты печени можно будет использовать в токсикологических экспериментах. Позже искусственные фрагменты кожи и мышц, капилляры, кости можно будет использовать для лечения тяжёлых травм и для пластических операций. Как Organovo, так и Tengion сходятся в том, что оборудование, способное быстро и качественно печатать органы целиком появится примерно в 2025-2030 году. Внедрение биопечати позволит сильно удешевить создание новых органов. Новые органы можно будет использовать для замены устаревших частей тела человека и как результат - радикального продления жизни (иммортализма). В перспективе биопечать позволит изобретать новые биологические органы для усовершенствования человека и животных и изобретения искусственых живых существ.
Технологии биопечати.
Этот пост о биопринтерах - изобретении, которое поможет человеку выращивать новые органы взамен износившихся от старости и таким образом значительно продлить ему жизнь.
О технологии биопечати, разработанной Габором Форгачем в кампании Organovo, я уже рассказывал в одном из своих прошлых постов. Однако, это не единственная технология создания искусственного создания органов из клеток. Справедливости ради стоит рассмотреть другие. Пока что до массового применения они все далеки, но то, что такие работы ведутся, радует и вселяет надежду, что по крайней мере одна линия искусственных органов достигнет успеха.
Первое -- это разработки американских учёных Владимира Миронова (Vladimir Mironov) из медицинского университета Южной Каролины (Medical University of South Carolina) и Томаса Боланда (Thomas Boland) из университета Клемсона (Clemson University). Первым исследования начал доктор Боланд, который придумал идею и начал исследования в своей лаборатории, и увлёк ею своего коллегу.
Вместе они с помощью принтера смогли реализовать технологию нанесения клеток слой за слоем. Для опыта были взяты старые принтеры Hewlett-Packard - старые модели использовались потому что у их картриджей достаточно крупные отверстия, чтобы не повредить клетки. Картриджи были тщательно очищены от чернил, и вместо чернил в них была залита клеточная масса. Также пришлось несколько переделать конструкцию принтера, создать программное обеспечение для контроля над температурой, электрическим сопротивлением и вязкостью "живых чернил".
Наносить клетки на плоскость слой-за-слоем ранее пытались и другие учёные, но эти впервые смогли это сделать с помощью струйного принтера.
На нанесении клеток на плоскость учёные останавливаться не собираются.
Чтоб напечатать трёхмерный орган, в качестве клея для соединения клеток предполагается использовать экзотический термообратимый (или "термореверсируемый") гель, созданный недавно Анной Гатовска (Anna Gutowska) из тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (Pacific Northwest National Laboratory) .
Этот гель является жидким при 20 градусах по Цельсию и затвердевает при температуре выше, чем 32 градуса. И, к счастью, он не вреден для биологических тканей.
При печати на стеклянную подложку наносятся через один слои клеток и слои геля (см. рисунок 1). Если слои достаточно тонкие, то клетки потом сростаются. Гель не мешает сростанию клеток, и в то же самое время придаёт конструкции прочность до того момента, когда клетки сростутся. После чего гель может быть легко удалён с помощью воды.
Команда уже провела несколько экспериментов, используя легко доступные клеточные культуры, типа клеток яичника хомяка.
По мнению авторов, трёхмерная печать может решить проблему создания новых органов для медицины взамен повреждённых или выращивание органов для биологических опытов. Скорее всего, первой будет пущено в массовое использование технология выращивания больших участков кожи для лечения людей, поражённых ожогами. Поскольку исходные клетки для культивирования "живых чернил" будут взяты от самого пациента, так что проблемы с отторжением быть не должно.
Заметим также, что традиционное выращивание органов может занять несколько недель -- так что пациент может не дождаться нужного органа. При пересадке органа от другого человека обычно только каждому десятому удаётся дождаться своей очереди на орган, остальные погибают. Но технология биопечати при наличии достаточно количества клеток может потребовать всего несколько часов для построения органа.
Во время печати потребуется решать такие проблемы, как питание искусственного органа. Очевидно, принтер должен печатать орган со всеми сосудами и капиллярами, через которые уже в процессе печати следует подавать питательные вещества (впрочем, как показали опыты Габора Форгача, по крайней мере некоторые органы способны формировать капилляры самостоятельно). Также орган должен быть напечатан не более чем за несколько часов -- поэтому для повышения прочности креплений клеток предполагается добавлять в скрепляющий раствор белок коллаген.
По прогнозу учёных, уже через несколько лет биопринтеры появятся в клиниках. Перспективы, которые при этом открываются, огромны.
Для печати по этой технологии сложного органа, состоящего из большого количества клеток, требуются картриджи с большим разнообразием чернил. Однако, доктор Фил Кэмпбелл (Phil Campbell) и его коллеги из американского университета Карнеги-Меллона (Carnegie Mellon University), в частности, профессор роботехники Ли Вейсс (Lee Weiss) -- которые тоже проводят эксперименты с биопечатью -- придумали способ, как уменьшить количество видов чернил без вреда для результирующего органа.
Для этого в качестве одного из биоцветов он предложил использовать раствор, содержащий фактор роста BMP-2. В качестве другого биоцвета стволовые использовались клетки, полученные из мышц ног мышей.
Далее, принтером были нанесены на стекло четыре квадрата со сторонами по 750 микрометров -- в каждом из них концентрация гормона роста была различна. Стволовые клетки, оказавшиеся на участках с фактором роста, начали превращаться в клетки костной ткани. И чем большей была концентрация BMP-2, тем выше "урожай" дифференцированных клеток. Стволовые же клетки, которые оказались на чистых участках, превратились в мышечные клетки, так как этот путь развития стволовая клетка выбирает по умолчанию.
Ранее клетки различных видов выращивались отдельно. Но, по словам учёного, совместное выращивание клеток делает эту технику более близкой к природной. "Вы можете создать такую структуру подложки, в которой один конец будет развивать кость, ещё один край -- сухожилие, а третий -- мускулы. Это обеспечивает вам больший контроль над регенерацией ткани", -- говорит автор работы. И при этом будет использоваться только два вида чернил -- что упрощает конструкцию биопринтера.
Проблемой управляемого изменения клеточных структур заинтересовались и учёные из России. «На сегодняшний день ведется очень много разработок, связанных с выращиванием тканей из стволовых клеток, -- комментирует учёный Николай Адреанов. -- Наилучших результатов ученые достигли при выращивании эпителиальной ткани, так как ее клетки очень быстро делятся. А теперь исследователи пытаются с помощью стволовых клеток создать нервные волокна, клетки которых в естественных условиях очень медленно восстанавливаются».
Также по словам Ли Вейсса, занимавшегося разработкой принтера, их технология ещё далека от промышленного внедрения. Кроме того, не помешало бы расширение знания о биологии. "Я могу напечатать довольно сложные вещи. Но, вероятно, один из самых серьёзных ограничивающих факторов (для данной технологии) - это понимание биологии. Нужно точно знать, что именно печатать". На другую проблему указывает кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Института биологии развития РАН Александр Ревищин. «В принципе печать тканей “клеточными чернилами” возможна, однако технология пока еще несовершенна, -- отметил он -- Например, если пересадить стволовые клетки в непривычные условия, эти клетки потеряют нить естественного развития и связь с окружающими клетками, что может привести к их перерождению в опухоль». стволовой клеточный биопринтер орган
Но, будем надеется, что в ближайшие годы технология будет отработана.
Ученые впервые создали химеру человека и свиньи – статья, рассказывающая об этом эксперименте, была опубликована 26 января в научном журнале Cell. Международная команда ученых под руководством Хуана Карлоса Исписуа Бельмонте, профессора Института биологических исследований Солка (США), на протяжении 28 дней выращивала в организме свиньи эмбрионы, содержащие стволовые клетки человека. Из двух тысяч гибридных зародышей 186 развились в организмы, в которых человеческая часть составляла одну на десять тысяч клеток.
Химеры – организмы, прозванные в честь монстра из греческих мифов, соединяющего в себе козу, льва и змею, – получаются в результате соединения генетического материала двух животных, но без рекомбинации ДНК (то есть обмена генетической информацией, который происходит при зачатии ребенка). В результате у химер два набора генетически разнородных клеток, но функционируют они как целый организм. В ходе эксперимента, о котором пишет Cell, ученые вынули из беременной свиноматки эмбрионы и подсадили в них индуцированные человеческие стволовые клетки, после чего эмбрионы отправили обратно развиваться в теле свиньи. Появиться на свет химерам не позволили – от них избавились еще на ранней стадии беременности самки.
Зачем ученым нужны гибридные организмы?
Ниша для органов
Одна из главных целей эксперимента – выращивание человеческих органов в организме животных. Часть пациентов годами ждет очереди на трансплантацию, и создание биологического материала таким путем могло бы спасти тысячи жизней. «Мы еще далеки от этого, но первый и важный шаг сделан», – говорит Исписуа Бельмонте. Человеческий орган, выращенный в химере из собственных клеток больного, решил бы проблему отторжения трансплантата организмом больного, так как был бы выращен из его собственных клеток.
Развить человеческие органы в теле животного ученые собираются с помощью генного редактирования (а именно инновационным способом CRISPR-Cas9). Первоначально ДНК эмбриона животного будут изменять так, чтобы в нем не развился необходимый орган, например сердце или печень. Такую «нишу» будут заполнять человеческие стволовые клетки.
Эксперименты показывают, что в химере можно создать практически любой орган – даже тот, который у подопытного животного не предусмотрен. Другой эксперимент этой же группы ученых показал, что подсадка в организм мыши стволовых крысиных клеток позволяет вырастить желчный пузырь, хотя у мышей этого органа эволюционно нет.
Еще в 2010 году японские ученые таким же образом создали для крысы поджелудочную железу. Команда Исписуа Бельмонте смогла вырастить в организме мыши также крысиное сердце и глаза. Двадцать пятого января один из его коллег сообщил в статье в журнале Nature, что его группе удалось провести обратный эксперимент – вырастить в крысе поджелудочную железу для мыши и успешно ее пересадить. Орган исправно функционировал больше года.
Важное условие для успеха экспериментов с химерами – правильное соотношение размеров соединяемых организмов. Например, ранее ученые пытались создать химеры свиней и крыс, но эксперимент оказался безуспешным. Гораздо более совместимыми являются люди, коровы и свиньи. Команда Исписуа Бельмонте предпочла использовать для создания химеры с человеком свинью просто потому, что использовать последних дешевле, чем коров.
Гибриды среди нас
История знала случаи пересадки людям некоторых частей тела от животных, в том числе и свиней, и раньше. Еще в XIX веке американский доктор Ричард Киссам успешно пересадил юноше роговицу глаза, которую взял у шестимесячного поросенка. Но полноценное создание химер началось в 1960-е годы, когда американская ученая Беатрис Минц получила лабораторным путем первый гибридный организм, соединив клетки двух разных видов мышей – белой и черной. Чуть позже другая ученая – француженка Николь ле Дуарен соединила зародышевые слои куриного и перепелиного эмбриона и в 1973 году выпустила работу о развитии гибридного организма. В 1988 году Ирвинг Вейсман из Стэнфордского университета создал мышь с человеческой иммунной системой (для исследований СПИДа), а впоследствии вживлял человеческие стволовые клетки в мышиный мозг для исследований по нейробиологии. В 2012 году на свет появились первые химеры-приматы: в Национальном центре исследования приматов в Орегоне ученые создалимакак, содержащих шесть различных ДНК.
Более того, история уже знает и случаи людей-химер, хотя общество их таковыми не называет, да и сами они могут об этом не догадываться. В 2002 году жительница Бостона Карен Киган прошла генетический тест, чтобы определить, можно ли ей пересаживать почку одного из ее родственников. Анализы показали невозможное: ДНК пациентки не соответствовала ДНК ее биологических сыновей. Оказалось, что у Киган был врожденный химеризм, который развивается у эмбриона в результате сбоя в процессе оплодотворения: ее организм содержал два генетических набора, один у клеток крови, другой – у клеток в тканях ее тела.
Формально химерой можно назвать и человека, которому пересадили чужой костный мозг, – например, при лечении лейкемии. В некоторых случаях в крови такого пациента можно найти клетки и с его исходной ДНК, и с ДНК донора. Еще один пример – так называемый микрохимеризм. В теле беременной женщины может наблюдаться перемещение стволовых клеток плода, несущих его геном, в органы будущей матери – почки, печень, легкие, сердце и даже мозг. Ученые предполагают, что это может случаться чуть ли не при каждой беременности, а такие клетки могут оставаться на новом месте в течение всей жизни женщины.
Но во всех этих случаях химеры образуются (естественно или нет) от двух человек. Другое дело – совмещение человека с животным. Трансплантация тканей от животных человеку может сделать его уязвимым для новых болезней, к чему наша иммунная система не готова. Многих также пугает возможность наделения зверей людскими качествами, вплоть до повышения уровня сознания. Ученые пытаются заверить общество и власти в том, что подобные эксперименты будут жестко контролироваться лабораториями и использоваться лишь во благо. Национальные институты здоровья США (NIH) никогда не финансировали такие разработки, ссылаясь на их неэтичность. Но в августе 2016 года представители NIH заявили, что могут пересмотреть мораторий (решение пока не принято).
В отличие от NIH американская армия щедро финансирует подобные эксперименты. По словам кардиолога из Миннесотского университета Дэниела Гэрри, его проект по созданию химер, в рамках которого была получена свинья с сердцем от другой особи, недавно получил от военных грант $1,4 млн на эксперименты по выращиванию в свинье человеческого сердца.
Прежде, чем приступить к обсуждению темы статьи, хочу сделать небольшой экскурс, что представляет собой организм человека. Это поможет понять, как важна работа любого звена в сложной системе человеческого организма, что может произойти при сбое, и как современная медицина пытается решить проблемы, если какой-либо орган выходит из строя.
Организм человека как биологическая система
Человеческий организм – это сложная биологическая система, имеющая особую структуру и наделенная специфическими функциями. Внутри этой системы различают несколько уровней организации. Высшая интеграция – это организменный уровень. Далее по нисходящей идут системный, органный, тканевой, клеточный и молекулярный уровни организации. От согласованной работы всех уровней системы зависит слаженная работа всего организма человека.
Если какой-то орган или система органов работает неправильно, то нарушения касаются и более низших уровней организации, таких как ткани и клетки.
Молекулярный уровень – это первый кирпичик. Как следует из названия, весь организм человека, как и всего живого, состоит из бесчисленного множества молекул.
Клеточный уровень можно себе представить как разнообразный компонентный состав молекул, образующих разные клетки.
Клетки, объединенные в разные по морфологии и функционированию ткани, образуют тканевой уровень.
В состав органов человека входят разнообразные ткани. Они обеспечивают нормальное функционирование какого-либо органа. Это – органный уровень организации.
Следующий уровень организации – системный. Определенные анатомически объединенные органы выполняют более сложную функцию. Например, пищеварительная система, состоящая из различных органов, обеспечивает переваривание поступающей в организм пищи, всасывание продуктов пищеварения и выведение неиспользованных остатков.
И высший уровень организации – организменный уровень. Все системы и подсистемы организма работают, как хорошо настроенный музыкальный инструмент. Согласованная работа всех уровней достигается благодаря механизму саморегуляции, т.е. поддержки на определенном уровне различных биологических показателей. При малейшем дисбалансе в работе какого-либо уровня организм человека начинает работать с перебоями.
Что такое стволовые клетки?
Термин «стволовые клетки» был введен в науку русским гистологом А. Максимовым в 1908 году. Стволовые клетки (СК) – это неспециализированные клетки. Их еще рассматривают как незрелые клетки. Они имеются практически у всех многоклеточных, включая человека. Путем деления клетки себя воспроизводят. Они способны превращаться в специализированные клетки, т.е. из них могут образовываться различные ткани и органы.
Самое большое количество СК у младенцев и детей, в юности количество стволовых клеток в организме уменьшается в 10 раз, а зрелому возрасту – в 50 раз! Значительное уменьшение числа СК в ходе старения, а также тяжелых заболеваний уменьшает возможности организма к самовосстановлению. Отсюда следует неприятный вывод: жизнедеятельность многих важных систем органов снижается.
Стволовые клетки и будущее медицины
Ученые- медики давно обратили внимание на пластичность СК и теоретическую возможность выращивать из них различные ткани и органы человеческого организма. Работы по изучению свойств СК начались во второй половине прошлого века. Как всегда, первые исследования проводились на лабораторных животных. К началу нашего века начались попытки, использовать СК для выращивания тканей и органов человека. Хочу рассказать о наиболее интересных результатах в этом направлении.
Японским ученым в 2004 г. удалось вырастить в лабораторных условиях капиллярные кровеносные сосуды из СК.
В следующем году американским исследователям из университета штата Флорида удалось вырастить из СК клетки головного мозга. Ученые заявили, что такие клетки способны вживляться в головной мозг, и их можно использовать при лечении таких заболеваний, как болезни Паркинсона и Альцгеймера.
В 2006 швейцарские ученые из университета Цюриха вырастили в своей лаборатории клапаны сердца человека. Для этого эксперимента использовались СК из околоплодной жидкости. Доктор С. Хёрстрап полагает, что эта методика может быть использована для выращивания сердечных клапанов для еще не родившегося ребенка, у которого обнаружены дефекты сердца. После рождения младенцу можно пересадить новые клапаны, выращенные из стволовых клеток околоплодной жидкости.
В том же году американские медики вырастили в лабораторных условиях целый орган – мочевой пузырь. СК были взяты у человека, для которого выращивался этот орган. Доктор Э. Атала, директор института регенеративной медицины, рассказал, что клетки и специальные вещества помещаются в особую форму, которая остается в инкубаторе в течение нескольких недель. После этого готовый орган пересаживается пациенту. Такие операции делаются сейчас в обычном режиме.
В 2007 на международном медицинском симпозиуме в Иокагаме были представлен доклад японских специалистов из университета Токио об удивительном научном эксперименте. Из единственной стволовой клетки, взятой из роговицы и помещенной в питательную среду, удалось вырастить новую роговицу. Ученые намеревались приступить к клиническим исследованиям и в дальнейшем применять эту технологию при лечении глаз.
Японцам принадлежит пальма первенства в выращивании зуба из единственной клетки. СК пересадили на коллагеновый каркас и начали эксперимент. После выращивания зуб выглядел как естественный и имел все составляющие, включая дентин, сосуды, эмаль и т.д. Зуб был трансплантирован лабораторной мыши, прижился и функционировал нормально. Японские ученые видят большие перспективы применения этого метода в выращивании зуба из одной СК с последующей пересадкой его хозяину клетки.
Японским медикам из университета Киото удалось получить из СК ткани почек, надпочечников и фрагмент почечного канальца.
Ежегодно во всем мире миллионы людей умирают от заболеваний сердца, головного мозга, почек, печени, мышечной дистрофии и т.д. В их лечении могут помочь стволовые клетки. Однако, существует один момент, который может затормозить применение стволовых клеток в медицинской практике – это отсутствие международной законодательной базы: откуда можно брать материал, сколько его можно хранить, как должны взаимодействовать пациент и его доктор при использовании СК.
Вероятно, проведение медицинских экспериментов и разработка такого закона должны идти параллельно.
) технология не применяется на людях, однако идут активные разработки и эксперименты в этой области. По словам директора Федерального научного центра трансплантологии и искусственных органов имени Шумакова профессора Сергея Готье выращивание органов станет доступным через 10-15 лет .
Ситуация
Идея о искусственном выращивании человеческих органов не покидает учёных уже больше полувека, с того момента, как людям начали пересаживать органы доноров. Даже при возможности пересаживать большинство органов пациентам, в настоящее время очень остро стоит вопрос донорства. Многие пациенты умирают, не дождавшись своего органа. Искусственное выращивание органов может спасти миллионы человеческих жизней. Некоторые достижения в этом направлении уже достигнуты с помощью методов регенеративной медицины .
См. также
Примечания
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Выращивание органов" в других словарях:
Окрашенная культура клеток эпителия. На фото кератин (красный) и ДНК (зеленая) Культивирование клеток представляет собой процесс, посредством которого in vitro отдельные клетки (или единственная клет … Википедия
Содержит некоторые из самых выдающихся текущих событий, достижений и инноваций в различных областях современной технологии. Новые технологии это те технические нововведения, которые представляют прогрессивные изменения в рамках области… … Википедия
Подготовка к крионированию Крионика (от греч. κρύος холод, мороз) практика сохранения тела или головы/мозга человека в состоянии глубокого … Википедия
2007 – 2008 2009 2010 – 2011 См. также: Другие события в 2009 году 2009 Международный год астрономии (ЮНЕСКО). Содержание … Википедия
Большой медицинский словарь
Выращивание с. х. культур в условиях орошения. Один из наиболее интенсивных видов земледелия, сложившийся в пустынных, полупустынных и засушливых зонах, а также в районах, недостаточно обеспеченных влагой в отдельные периоды вегетации. В… …
Выращивание растений при отсутствии микроорганизмов в среде, окружающей всё растение или (чаще) только его корни (стерильность всего растения может быть обеспечена только в замкнутом сосуде, где трудно поддерживать необходимые для… … Большая советская энциклопедия
Выращивание микроорганизмов, животных и растительных клеток, тканей или органов в искусственных условиях … Медицинская энциклопедия
Пшеница - (Wheat) Пшеница это широко распространенная зерновая культура Понятие, классификация, ценность и питательные свойства сортов пшеницы Содержание >>>>>>>>>>>>>>> … Энциклопедия инвестора
Европа - (Europe) Европа – это плотнонаселенная высокоурбанизированная часть света названная в честь мифологической богини, образующая вместе с Азией континент Евразия и имеющая площадь около 10,5 миллионов км² (примерно 2 % от общей площади Земли) и … Энциклопедия инвестора
Книги
- Болезни домашних и сельскохозяйственных птиц. В 3-х томах , . Книга "Болезни домашних и сельскохозяйственных птиц" представляет собой перевод десятого, дополненного и переработанного издания руководства по болезням птиц, в подготовке которого приняли…
- Болезни домашних и сельскохозяйственных птиц (количество томов: 3) , Кэлнек Б.У.. Книга "Болезни домашних и сельскохозяйственных птиц" представляет собой перевод десятого, дополненного и переработанного издания руководства по болезням птиц, в подготовке которого приняли…
