Las nuevas tecnologías harán posible el crecimiento de órganos. En Rusia aparecerá una técnica única de cultivo de órganos para trasplante a partir de células del propio paciente

El ritmo postindustrial del desarrollo humano, es decir de la ciencia y la tecnología, es tan grande que era imposible imaginarlo hace 100 años. Lo que antes sólo podía leerse en la ciencia ficción popular ahora ha aparecido en el mundo real.

La medicina del siglo XXI está más avanzada que nunca. Enfermedades que antes se consideraban mortales ahora se tratan con éxito. Sin embargo, los problemas de la oncología, el SIDA y muchas otras enfermedades aún no se han resuelto. Afortunadamente, en un futuro próximo habrá una solución a estos problemas, una de las cuales será el cultivo de órganos humanos.

Fundamentos de la Bioingeniería

La ciencia, que utiliza la base informativa de la biología y utiliza métodos analíticos y sintéticos para resolver sus problemas, surgió no hace mucho tiempo. A diferencia de la ingeniería convencional, que utiliza ciencias técnicas, principalmente matemáticas y física, para sus actividades, la bioingeniería va más allá y utiliza métodos innovadores en forma de biología molecular.

Una de las principales tareas de la recién creada esfera científica y técnica es el cultivo de órganos artificiales en condiciones de laboratorio con el fin de su posterior trasplante al cuerpo de un paciente cuyo órgano ha fallado debido a daño o desgaste. Apoyándose en estructuras celulares tridimensionales, los científicos han podido avanzar en el estudio de los efectos de diversas enfermedades y virus sobre la actividad. órganos humanos.

Desafortunadamente, estos aún no son órganos completos, sino sólo organoides: rudimentos, una colección inacabada de células y tejidos que sólo pueden usarse como muestras experimentales. Su rendimiento y habitabilidad se prueban en animales de experimentación, principalmente en diversos roedores.

Referencia histórica. Trasplantología

El crecimiento de la bioingeniería como ciencia fue precedido por un largo período de desarrollo de la biología y otras ciencias, cuyo propósito era estudiar cuerpo humano. A principios del siglo XX se impulsó su desarrollo la trasplantología, cuya tarea era estudiar la posibilidad de trasplantar un órgano de un donante a otra persona. La creación de técnicas capaces de preservar los órganos de los donantes durante algún tiempo, así como la disponibilidad de experiencia y planes detallados para el trasplante, permitieron a cirujanos de todo el mundo trasplantar con éxito órganos como el corazón, los pulmones y los riñones a finales de los años 60. .

En este momento El principio del trasplante es más eficaz si el paciente corre peligro de peligro mortal. El principal problema es escasez agudaórganos donados. Los pacientes pueden esperar su turno durante años sin conseguirlo. Además, hay alto riesgo el hecho de que el órgano donado trasplantado puede no echar raíces en el cuerpo del receptor, ya que el sistema inmunológico del paciente lo considerará como objeto extraño. En confrontación este fenómeno Se inventaron los inmunosupresores que, sin embargo, tienen más probabilidades de paralizar que de curar: la inmunidad humana está catastróficamente debilitada.

Ventajas de la creación artificial sobre el trasplante

Una de las principales diferencias competitivas entre el método de cultivo de órganos y el de trasplantarlos de un donante es que, en condiciones de laboratorio, los órganos se pueden producir a partir de tejidos y células del futuro receptor. Básicamente se utilizan células madre que tienen la capacidad de diferenciarse en células de determinados tejidos. El científico es capaz de controlar este proceso desde el exterior, lo que reduce significativamente el riesgo de futuro rechazo de órganos por parte del sistema inmunológico humano.

Además, utilizando el método de cultivo artificial de órganos, es posible producir un número ilimitado de ellos, satisfaciendo así las necesidades vitales de millones de personas. El principio de producción en masa reducirá significativamente el precio de los órganos, salvará millones de vidas y aumentará significativamente la supervivencia humana y retrasará la fecha de su muerte biológica.

Avances en bioingeniería

Hoy en día, los científicos pueden cultivar los rudimentos de órganos futuros: organoides, en los que prueban diversas enfermedades, virus e infecciones para rastrear el proceso de infección y desarrollar tácticas de contraataque. El éxito del funcionamiento de los organoides se prueba trasplantándolos al cuerpo de animales: conejos, ratones.

También vale la pena señalar que la bioingeniería ha logrado ciertos éxitos en la creación de tejidos completos e incluso en el cultivo de órganos a partir de células madre que, desafortunadamente, aún no se pueden trasplantar a humanos debido a su inoperancia. Sin embargo, hasta el momento los científicos han aprendido a crear artificialmente cartílagos, vasos sanguíneos y otros elementos conectivos.

Piel y huesos

No hace mucho, científicos de la Universidad de Columbia lograron crear un fragmento de hueso con una estructura similar a una articulación. mandíbula inferior conectándolo con la base del cráneo. El fragmento se obtuvo mediante el uso de células madre, como en órganos en crecimiento. Un poco más tarde, la empresa israelí Bonus BioGroup logró inventar un nuevo método para recrear huesos humanos, que se probó con éxito en un roedor: el hueso cultivado artificialmente se trasplantó a una de sus patas. En este caso se volvieron a utilizar células madre, sólo que se obtuvieron del tejido adiposo del paciente y posteriormente se colocaron sobre un soporte óseo similar a un gel.

Desde la década de 2000, los médicos utilizan hidrogeles especializados y métodos de regeneración natural de la piel dañada para tratar las quemaduras. Las técnicas experimentales modernas permiten curar quemaduras graves en unos pocos días. La llamada Skin Gun rocía una mezcla especial de células madre del paciente sobre la superficie dañada. También hay avances importantes en la creación de una piel que funcione de manera estable con vasos sanguíneos y linfáticos.

Recientemente, los científicos de Michigan lograron cultivar parte del Tejido muscular, que, sin embargo, es dos veces más débil que el original. De manera similar, los científicos de Ohio crearon tejidos estomacales tridimensionales que eran capaces de producir todas las enzimas necesarias para la digestión.

Los científicos japoneses han logrado lo casi imposible: han desarrollado un ojo humano en pleno funcionamiento. El problema con el trasplante es que adjuntar nervio óptico Los ojos al cerebro todavía no es posible. En Texas también se cultivaron pulmones artificialmente en un biorreactor, pero sin vasos sanguíneos, lo que pone en duda su funcionalidad.

Perspectivas de desarrollo

No pasará mucho tiempo hasta que llegue el momento de la historia en el que la mayoría de los órganos y tejidos creados en condiciones artificiales puedan trasplantarse a humanos. Científicos de todo el mundo ya han desarrollado proyectos y muestras experimentales, algunas de las cuales no son inferiores a los originales. Piel, dientes, huesos, todo. órganos internos Después de un tiempo, será posible crearlos en laboratorios y venderlos a personas necesitadas.

Las nuevas tecnologías también están acelerando el desarrollo de la bioingeniería. La impresión 3D, que se ha generalizado en muchas áreas de la vida humana, también será útil para desarrollar nuevos órganos. Las bioimpresoras 3D ya se utilizan de forma experimental desde 2006 y en el futuro podrán crear modelos tridimensionales viables de órganos biológicos transfiriendo cultivos celulares a un sustrato biocompatible.

Conclusión general

La bioingeniería como ciencia cuyo objetivo es cultivar tejidos y órganos para su posterior trasplante, surgió no hace mucho tiempo. El ritmo vertiginoso al que avanza por el camino del progreso se caracteriza por logros importantes que salvarán millones de vidas en el futuro.

Los huesos y órganos internos cultivados a partir de células madre eliminarán la necesidad de órganos donados, cuya cantidad ya escasea. Los científicos ya tienen muchos avances cuyos resultados aún no son muy productivos, pero tienen un potencial enorme.

La bioimpresora es una variación biológica de la tecnología reprap, ya se ha creado un dispositivo capaz de crear cualquier órgano a partir de células, depositando células capa por capa. En diciembre de 2009, la empresa estadounidense Organovo y la australiana Invetech desarrollaron una bioimpresora diseñada para la producción industrial a pequeña escala. En lugar de cultivar el órgano deseado en un tubo de ensayo, es mucho más fácil imprimirlo: esto es lo que piensan los desarrolladores del concepto.

El desarrollo de la tecnología comenzó hace varios años. Investigadores de varios institutos y universidades todavía están trabajando en esta tecnología. Pero el profesor Gabor Forgacs y el personal de su laboratorio Forgacslab de la Universidad de Missouri, en el marco del proyecto Organ Printing, que en 2007 descubrieron nuevas sutilezas de la bioimpresión, tuvieron más éxito en este campo. Para comercializar sus desarrollos, el profesor y sus colaboradores fundaron la campaña Organovo. La campaña creó la tecnología NovoGen, que incluía todos los detalles necesarios de la bioimpresión, tanto en la parte biológica como en la parte hardware.

Se ha desarrollado un sistema de calibración láser y un sistema de posicionamiento de cabezales robóticos con una precisión de varios micrómetros. Esto es muy importante para colocar las celdas en la posición correcta. Las primeras impresoras experimentales para Organovo (y según sus “bocetos”) fueron construidas por nScrypt (Figura 2). Pero esos dispositivos aún no estaban adaptados para un uso práctico y se utilizaron para pulir la tecnología.

En mayo de 2009, la campaña de Organovo eligió a la empresa médica Invetech como socio industrial. Esta empresa tiene más de 30 años de experiencia en la producción de laboratorio y Equipo medico, incluidos los informatizados. A principios de diciembre, Invetech envió a Organovo la primera copia de una bioimpresora 3D que incorpora la tecnología NovoGen. El nuevo producto se distingue por su tamaño compacto, su interfaz informática intuitiva, su alto grado de integración de componentes y su alta fiabilidad. En un futuro próximo, Invetech tiene la intención de suministrar varios dispositivos más similares a Organovo y ya distribuirá el nuevo producto a la comunidad científica. Nuevo dispositivo Tiene unas dimensiones tan modestas que se puede colocar en un gabinete biológico, lo cual es necesario para proporcionar un ambiente estéril durante el proceso de impresión.

Hay que decir que la bioimpresión no es la única forma de crear órganos artificialmente. Sin embargo, manera clásica El cultivo requiere, en primer lugar, realizar un marco que defina la forma del futuro órgano. Al mismo tiempo, el propio marco conlleva el peligro de convertirse en el iniciador de la inflamación del órgano.

La ventaja de una bioimpresora es que no requiere dicha estructura. La forma del órgano está determinada por el propio dispositivo de impresión, ordenando las células en el orden requerido. La propia bioimpresora tiene dos cabezales llenos de dos tipos de tinta. El primero utiliza células como tinta. varios tipos, y en el segundo, materiales auxiliares (hidrogel de soporte, colágeno, factores de crecimiento). La impresora puede tener más de dos “colores”, si es necesario utilizarlos. diferentes celdas o materiales auxiliares de diversos tipos.

Una característica especial de la tecnología NovoGen es que la impresión no se realiza mediante células individuales. La impresora deposita inmediatamente un conglomerado de varias decenas de miles de células. Ésta es la principal diferencia entre la tecnología NovoGen y otras tecnologías de bioimpresión.

El diagrama de funcionamiento de la impresora se muestra en la Figura 4.

Entonces, primero se cultivan los tejidos necesarios. Luego, el tejido crecido se corta en cilindros en una proporción de diámetro a longitud de 1:1 (punto a). Siguiente - punto b - estos cilindros se colocan temporalmente en un especial medio nutritivo, donde toman la forma de bolitas. El diámetro de dicha bola es de 500 micrómetros (medio milímetro). El color naranja de la tela se consigue mediante un tinte especial. A continuación, las perlas se cargan en un cartucho (punto c), que contiene pipetas que se llenan con perlas en orden una por una. La propia bioimpresora tridimensional (punto d) debe depositar estos esferoides con precisión micrométrica (es decir, el error debe ser inferior a una milésima de milímetro). La impresora también está equipada con cámaras que pueden monitorear el proceso de impresión en tiempo real.

La impresora de muestra creada funciona con tres "colores" a la vez: dos tipos de células (en los últimos experimentos de Forgach, estas eran células del músculo cardíaco y células epiteliales) - y el tercero es una mezcla que incluye un gel fijador que contiene colágeno, factor de crecimiento y varias otras sustancias. Esta mezcla permite que el órgano mantenga su forma antes de que las células crezcan juntas (punto d).

Según Gabor, la impresora no reproduce exactamente la estructura del órgano. Sin embargo, esto no es requerido. El propio programa natural de las células corrige la estructura del órgano.

El diagrama del montaje del órgano y la fusión de las bolas en el órgano se muestra en la Figura 5.

Durante los experimentos, una bioimpresora imprimió un "corazón" a partir de células endoteliales y células del músculo cardíaco de pollo (Figura 6). Después de 70 horas, las bolas se juntaron formando un solo sistema y, después de 90 horas, el "corazón" comenzó a contraerse. Además, las células endoteliales formaron estructuras similares a los capilares. También células musculares, que inicialmente se contrajo caóticamente, con el tiempo se sincronizó de forma independiente y comenzó a contraerse simultáneamente. Sin embargo, este prototipo de corazón aún no es adecuado para su uso práctico; incluso si se utilizan células humanas en lugar de células de pollo, es necesario mejorar aún más la tecnología de bioimpresión.

Una impresora mucho mejor hace un mejor trabajo al crear más órganos simples-- por ejemplo, trozos de piel humana o vasos sanguíneos. Al imprimir vasos sanguíneos, el pegamento de colágeno se aplica no solo en los bordes del vaso, sino también en el centro. Y luego, cuando las células crecen juntas, el pegamento se elimina fácilmente. Las paredes del vaso constan de tres capas de células: endotelio, músculo liso y fibroblastos. Pero las investigaciones han demostrado que en la impresión sólo se puede reproducir una capa compuesta por una mezcla de estas células: las propias células migran y se alinean en tres capas homogéneas. Este hecho puede facilitar el proceso de impresión de muchos órganos. De este modo, el equipo de Forgacs ya puede crear vasos muy finos y ramificados de cualquier forma. Los investigadores ahora están trabajando para construir una capa de músculo en los vasos, lo que los hará aptos para la implantación. De particular interés son los recipientes con un espesor inferior a 6 milímetros, ya que para los más grandes existen materiales sintéticos adecuados.

En la Figura 7 se muestra una ilustración con otros experimentos de bioimpresión.

El punto a es un anillo de dos tipos de biotinta. Están especialmente pintados con diferentes sustancias fluorescentes. A continuación se muestra el mismo anillo después de 60 horas. Las células crecen juntas por sí solas. El punto b es el desarrollo de un tubo hecho con los anillos que se muestran en la imagen. El elemento c anterior es un tubo de 12 capas compuesto por células de músculo liso del cordón umbilical; punto c, abajo - un tubo ramificado - un prototipo de vasos para trasplante. Punto d: construcción del tejido cardíaco en contracción. A la izquierda hay un entramado (6 por 6) de esferoides con células del músculo cardíaco (sin endotelio), impreso en “biopapel” de colágeno. Si se agregan células endoteliales a la misma "tinta" (la segunda imagen está en rojo, los cardiomiocitos se muestran aquí en verde), primero llenan el espacio entre los esferoides y después de 70 horas (punto d, derecha) todo el tejido se vuelve un solo todo. Abajo: gráfico de la contracción celular del tejido resultante. Como se puede observar, la amplitud (medida verticalmente) de las contracciones es de aproximadamente 2 micras, y el período es de unos dos segundos (tiempo marcado horizontalmente) (fotos e ilustraciones de Forgacs et al).

La Figura 8 también muestra la estructura del tejido cardíaco impreso (fotografías de Forgacs et al).

Las primeras muestras de una bioimpresora 3D de Organovo e Invetech estarán disponibles para las organizaciones médicas y de investigación en 2011.

Cabe señalar que Organovo no es el único actor en este mercado. Hace algún tiempo, la empresa de biotecnología occidental Tengion presentó su tecnología para recrear órganos. Existen algunas diferencias entre los enfoques Tengion y Organovo. Por ejemplo, las dos tecnologías tienen enfoques diferentes para organizar células vivas en grupos para crear tejidos; además, las impresoras de las empresas tienen enfoques diferentes para el problema de la obtención de muestras y el análisis de genes. Ambas empresas señalan que se enfrentan a las mismas dificultades: es bastante difícil reproducir tejidos complejos y ambas impresoras tardan mucho en configurarse para un tipo de impresión 3D. Además, diseñar la impresora en sí es sólo una parte de la tarea. También es necesario crear un software especial que ayude a simular la tela antes de imprimir y reconfigurar rápidamente la impresora. La propia impresora debería poder crear el órgano más complejo en unas pocas horas. Los capilares finos deben alimentarse lo antes posible. nutrientes, de lo contrario el órgano morirá. Sin embargo, ambas empresas tienen el mismo meta final- “huella” de órganos humanos.

Inicialmente, el equipo se utilizará con fines de investigación. Por ejemplo, los fragmentos de hígado impresos se pueden utilizar en experimentos toxicológicos. Posteriormente, se pueden utilizar fragmentos artificiales de piel y músculos, capilares y huesos para tratar lesiones graves y para cirugía plástica. Tanto Organovo como Tengion coinciden en que alrededor de 2025-2030 aparecerán equipos capaces de imprimir órganos enteros de forma rápida y eficiente. La introducción de la bioimpresión reducirá en gran medida el coste de creación de nuevos órganos. Se pueden utilizar nuevos órganos para reemplazar partes obsoletas del cuerpo humano y, como resultado, prolongar radicalmente la vida (inmortalismo). En el futuro, la bioimpresión nos permitirá inventar nuevos órganos biológicos para la mejora de humanos y animales y la invención de seres vivos artificiales.

Tecnologías de bioimpresión.

Esta publicación trata sobre las bioimpresoras, un invento que ayudará a una persona a desarrollar nuevos órganos para reemplazar los desgastados por la vejez y así prolongar significativamente su vida.

Ya hablé de la tecnología de bioimpresión desarrollada por Gabor Forgacs en la campaña de Organovo en una de mis publicaciones anteriores. Sin embargo, ésta no es la única tecnología para crear órganos artificiales a partir de células. Para ser justos, hay otros que vale la pena considerar. Hasta ahora, todos están lejos de su aplicación masiva, pero el hecho de que se esté llevando a cabo un trabajo de este tipo es alentador y nos da esperanzas de que al menos una línea de órganos artificiales tendrá éxito.

El primero es el desarrollo de los científicos estadounidenses Vladimir Mironov de Universidad Medica Carolina del Sur (Universidad Médica de Carolina del Sur) y Thomas Boland de la Universidad de Clemson. La investigación la inició el Dr. Boland, a quien se le ocurrió la idea y comenzó a investigar en su laboratorio, atrayendo a su colega.

Juntos, utilizando una impresora, lograron implementar la tecnología de depositar células capa por capa. Para el experimento se utilizaron impresoras antiguas de Hewlett-Packard; se utilizaron modelos antiguos porque sus cartuchos tenían orificios lo suficientemente grandes como para no dañar las celdas. Los cartuchos se limpiaron cuidadosamente de tinta y, en lugar de tinta, se llenaron con masa celular. También tuvimos que rediseñar ligeramente la impresora y crear un software para controlar la temperatura, la resistencia eléctrica y la viscosidad de la “tinta viva”.

Otros científicos habían intentado anteriormente aplicar células en un plano capa por capa, pero estos fueron los primeros en poder hacerlo utilizando una impresora de inyección de tinta.

Los científicos no se limitarán a dibujar células en un avión.

Para imprimir un órgano tridimensional, se propone utilizar un exótico gel termorreversible (o “termorreversible”), creado recientemente por Anna Gutowska del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, como adhesivo para conectar células.

Este gel es líquido a 20 grados centígrados y se endurece a temperaturas superiores a 32 grados. Y, afortunadamente, no es perjudicial para los tejidos biológicos.

Al imprimir, se deposita una sola capa de células y capas de gel sobre un sustrato de vidrio (ver Figura 1). Si las capas son lo suficientemente delgadas, las células crecen juntas. El gel no interfiere con la fusión celular y al mismo tiempo fortalece la estructura hasta que las células crecen juntas. Después de lo cual el gel se puede eliminar fácilmente con agua.

El equipo ya ha realizado varios experimentos utilizando tecnologías fácilmente disponibles. Culturas celulares, un tipo de célula de ovario de hámster.

Según los autores, la impresión tridimensional puede resolver el problema de crear nuevos órganos para medicina que reemplacen los dañados o órganos en crecimiento para experimentos biológicos. Lo más probable es que la tecnología de crecimiento de grandes áreas de piel para tratar a personas afectadas por quemaduras sea la primera en utilizarse de forma masiva. Dado que las células de partida para cultivar la “tinta viva” se tomarán del propio paciente, no debería haber ningún problema de rechazo.

Tenga en cuenta también que el cultivo tradicional de órganos puede tardar varias semanas, por lo que es posible que el paciente no espere el órgano deseado. Cuando se trasplanta un órgano de otra persona, normalmente sólo una de cada diez personas logra esperar su turno para recibir el órgano; el resto muere. Pero la tecnología de bioimpresión, con suficientes células, puede tardar sólo unas pocas horas en construir un órgano.

Durante la impresión, será necesario abordar problemas como la alimentación del órgano artificial. Evidentemente, la impresora debe imprimir un órgano con todos los vasos y capilares a través de los cuales se deben suministrar los nutrientes durante el proceso de impresión (sin embargo, como han demostrado los experimentos de Gabor Forgacs, al menos algunos órganos son capaces de formar capilares por sí solos). . Además, el órgano debe imprimirse en no más de unas pocas horas; por lo tanto, para aumentar la fuerza de las uniones celulares, se propone agregar proteína de colágeno a la solución de unión.

Según los científicos, las bioimpresoras aparecerán en las clínicas dentro de unos años. Las perspectivas que se abren son enormes.

Para imprimir usando esta tecnología órgano complejo formado por un gran número de celdas, se requieren cartuchos con una amplia variedad de tintas. Sin embargo, el Dr. Phil Campbell y sus colegas de la Universidad Carnegie Mellon de Estados Unidos, en particular el profesor de robótica Lee Weiss, que también está experimentando con la bioimpresión, han ideado una forma de reducir el número de tipos de tinta sin dañar el órgano resultante.

Para ello, propuso utilizar una solución que contenga el factor de crecimiento BMP-2 como una de las bioflores. Como otro biocolor se utilizaron células madre obtenidas de los músculos de las patas de ratones.

A continuación, la impresora imprimió en el vidrio cuatro cuadrados con lados de 750 micrómetros; en cada uno de ellos la concentración de la hormona del crecimiento era diferente. Las células madre que se encontraban en áreas con factores de crecimiento comenzaron a convertirse en células. tejido óseo. Y cuanto mayor sea la concentración de BMP-2, mayor será el "rendimiento" de células diferenciadas. Las células madre que terminaron en áreas limpias se convirtieron en células musculares, ya que este camino de desarrollo célula madre selecciona de forma predeterminada.

Anteriormente células varios tipos fueron cultivados por separado. Pero, según el científico, el cultivo conjunto de células hace que esta técnica sea más natural. "Se puede crear una estructura de andamio en la que un extremo desarrolla hueso, otro extremo desarrolla tendón y el otro extremo desarrolla músculo. Esto le da más control sobre la regeneración del tejido", dice el autor del trabajo. Y sólo se utilizarán dos tipos de tinta, lo que simplifica el diseño de la bioimpresora.

Los científicos rusos también se interesaron por el problema de los cambios controlados en las estructuras celulares. “Hoy en día hay muchos avances relacionados con el cultivo de tejido a partir de células madre”, comenta el científico Nikolai Adreanov. -- Mejores resultados los científicos han logrado en el crecimiento tejido epitelial, ya que sus células se dividen muy rápidamente. Y ahora los investigadores están intentando utilizar células madre para crear fibras nerviosas, cuyas células en condiciones naturales"Se están recuperando muy lentamente".

Además, según Lee Weiss, quien desarrolló la impresora, su tecnología aún está lejos de ser implementada industrialmente. Además, ampliar el conocimiento sobre biología no vendría mal. "Puedo imprimir algunas cosas bastante complejas. Pero probablemente uno de los mayores factores limitantes (para esta tecnología) es la comprensión de la biología. Hay que saber exactamente qué imprimir". Alexander Revishchin, candidato a ciencias biológicas e investigador principal del Instituto de Biología del Desarrollo de la Academia de Ciencias de Rusia, señala otro problema. "En principio, es posible imprimir tejidos con "tinta celular", pero la tecnología aún es imperfecta. Por ejemplo, si se trasplantan células madre en condiciones inusuales, estas células perderán el hilo del desarrollo natural y la comunicación con células circundantes, lo que puede conducir a su degeneración en un tumor". órgano bioimpresor de células madre

Pero esperemos que la tecnología se desarrolle en los próximos años.

Los científicos han creado por primera vez una quimera humano-cerdo: el 26 de enero se publicó un artículo que describe este experimento en la revista científica Cell. Un equipo internacional de científicos liderado por Juan Carlos Izpisua Belmonte, profesor del Instituto Salk de Estudios Biológicos (EE.UU.), cultivó embriones que contenían células madre humanas en cerdos durante 28 días. De los dos mil embriones híbridos, 186 se desarrollaron hasta convertirse en organismos en los que parte humana era uno por cada diez mil células.

Las quimeras son organismos que llevan el nombre del monstruo de mitos griegos, que combina una cabra, un león y una serpiente, se obtienen combinando el material genético de dos animales, pero sin recombinación de ADN (es decir, el intercambio de información genética que se produce cuando se concibe un niño). Como resultado, las quimeras tienen dos conjuntos de células genéticamente diferentes, pero funcionan como órgano completo cambiar. En el experimento sobre el que escribe Cell, los científicos extrajeron embriones de una cerda preñada y les infundieron células madre humanas inducidas, después de lo cual los embriones fueron enviados de nuevo para que se desarrollaran en el cuerpo del cerdo. A las quimeras no se les permitió nacer, ya se deshicieron de ellas. Etapa temprana embarazo femenino.

¿Por qué los científicos necesitan organismos híbridos?

Nicho para órganos

Uno de los objetivos principales del experimento es hacer crecer órganos humanos en cuerpos de animales. Algunos pacientes esperan durante años en cola para recibir un trasplante, y la creación de material biológico de esta manera podría salvar miles de vidas. “Aún estamos lejos de ello, pero se ha dado el primer e importante paso”, afirma Izpisua Belmonte. Un órgano humano cultivado en una quimera a partir de las propias células del paciente resolvería el problema del rechazo del trasplante por parte del cuerpo del paciente, ya que se desarrollaría a partir de sus propias células.
Los científicos van a desarrollar órganos humanos en el cuerpo de un animal mediante la edición de genes (es decir, de una manera innovadora CRISPR-Cas9). Inicialmente, se cambiará el ADN del embrión animal para que no desarrolle un órgano necesario, como el corazón o el hígado. Este “nicho” será ocupado por células madre humanas.

Los experimentos muestran que en una quimera se puede crear casi cualquier órgano, incluso uno que no esté previsto en un animal de experimentación. Otro experimento del mismo grupo de científicos demostró que inyectar células madre de rata en el cuerpo del ratón les permite desarrollar una vesícula biliar, aunque los ratones no tienen este órgano evolutivamente.

En 2010, los científicos japoneses crearon el páncreas de una rata de la misma manera. El equipo de Izpisua Belmonte logró hacer crecer el corazón y los ojos de una rata en el cuerpo de un ratón. El 25 de enero, uno de sus colegas informó en un artículo de la revista Nature que su grupo pudo realizar el experimento inverso: hacer crecer el páncreas de un ratón en una rata y trasplantarlo con éxito. El órgano funcionó correctamente durante más de un año.

Una condición importante para el éxito de los experimentos con quimeras es proporción correcta el tamaño de los organismos que se conectan. Por ejemplo, los científicos intentaron anteriormente crear quimeras de cerdos y ratas, pero el experimento no tuvo éxito. Mucho más compatibles son las personas, las vacas y los cerdos. El equipo de Izpisua Belmonte optó por utilizar cerdos para crear la quimera humana simplemente porque su uso es más barato que el de las vacas.

Híbridos entre nosotros

En la historia se conocen casos de trasplantes de determinadas partes del cuerpo de animales, incluidos cerdos, a humanos. En el siglo XIX, el médico estadounidense Richard Kissam trasplantó con éxito la córnea de un cerdo de seis meses a un hombre joven. Pero la creación completa de quimeras comenzó en la década de 1960, cuando la científica estadounidense Beatrice Mintz obtuvo en el laboratorio el primer organismo híbrido combinando células de dos especies diferentes de ratones: el blanco y el negro. Un poco más tarde, otra científica francesa, Nicole le Doirin, unió las capas germinales de un embrión de pollo y codorniz y en 1973 publicó un artículo sobre el desarrollo de un organismo híbrido. En 1988, Irving Weisman de la Universidad de Stanford creó un ratón con un sistema inmunológico humano (para la investigación del SIDA) y posteriormente implantó células madre humanas en cerebros de ratones para la investigación de neurobiología. En 2012 nacieron las primeras quimeras de primates: en Centro Nacional En un estudio con primates en Oregón, los científicos crearon macacos que contenían seis ADN diferentes.

Además, la historia ya conoce casos de personas-quimeras, aunque la sociedad no las llame así, y ellos mismos pueden no ser conscientes de ello. En 2002, Karen Keegan, residente de Boston, falleció prueba genética para determinar si puede recibir un riñón de uno de sus familiares. Las pruebas demostraron lo imposible: el ADN de la paciente no coincidía con el ADN de sus hijos biológicos. Resultó que Keegan tenía quimerismo congénito, que se desarrolla en un embrión como resultado de un mal funcionamiento en el proceso de fertilización: su cuerpo contenía dos conjuntos genéticos, uno en las células sanguíneas y el otro en las células de los tejidos de su cuerpo.

Formalmente, a una persona que ha recibido un trasplante extranjero también se le puede llamar quimera. Médula ósea, - por ejemplo, en el tratamiento de la leucemia. En algunos casos, en la sangre de un paciente así se pueden encontrar células tanto con su ADN original como con el ADN del donante. Otro ejemplo es el llamado microquimerismo. En el cuerpo de una mujer embarazada se puede observar el movimiento de las células madre fetales que transportan su genoma a los órganos de la futura madre (riñones, hígado, pulmones, corazón e incluso cerebro). Los científicos sugieren que esto puede suceder en casi todos los embarazos y que dichas células pueden permanecer en un lugar nuevo durante toda la vida de la mujer.

Pero en todos estos casos, las quimeras se forman (naturalmente o no) a partir de dos personas. Otra cosa es la combinación de una persona y un animal. El trasplante de tejido de animales a humanos puede hacerlos vulnerables a nuevas enfermedades, razón por la cual nuestra el sistema inmune no está listo. Muchos también temen la posibilidad de dotar a los animales de cualidades humanas, incluso elevando el nivel de conciencia. Los científicos están tratando de asegurar al público y a las autoridades que tales experimentos serán estrictamente controlados por laboratorios y utilizados sólo para el bien. Los Institutos Nacionales de Salud (NIH) de EE. UU. nunca han financiado tales desarrollos, citando su falta de ética. Pero en agosto de 2016, los funcionarios de los NIH dijeron que podrían reconsiderar la moratoria (aún no se ha tomado una decisión).

A diferencia del NIH, el ejército estadounidense financia generosamente este tipo de experimentos. Su proyecto de quimera, que implicaba criar un cerdo con el corazón de otro cerdo, recibió recientemente una subvención militar de 1,4 millones de dólares para experimentar con el cultivo de un corazón humano en un cerdo, según el cardiólogo Daniel Garry de la Universidad de Minnesota.

Antes de comenzar a discutir el tema del artículo, quiero hacer pequeña excursión, que es el cuerpo humano. Esto le ayudará a comprender lo importante que es el trabajo de cualquier vínculo en un sistema complejo. cuerpo humano, qué puede pasar si hay una falla y cómo la medicina moderna intenta resolver los problemas si falla algún órgano.

El cuerpo humano como sistema biológico.

El cuerpo humano es un sistema biológico complejo que tiene una estructura especial y está dotado de funciones específicas. Dentro de este sistema existen varios niveles de organización. La integración más alta es el nivel organísmico. Más abajo están los niveles de organización sistémico, orgánico, tisular, celular y molecular. El trabajo coordinado de todos los niveles del sistema depende de trabajo armonioso todo el cuerpo humano.
Si algún órgano o sistema de órganos no funciona correctamente, entonces las violaciones afectan más niveles bajos organizaciones como tejidos y células.

Nivel molecular– este es el primer ladrillo. Como sugiere el nombre, todo el cuerpo humano, como todos los seres vivos, está formado por innumerables moléculas.

El nivel celular puede imaginarse como la composición diversa de las moléculas que forman diferentes células.

Las células unidas en tejidos de diferente morfología y funcionamiento forman el nivel tisular.

Los órganos humanos contienen una variedad de tejidos. Aseguran el funcionamiento normal de cualquier órgano. Este es el nivel de organización del órgano.

Siguiente nivel organización - sistémica. Ciertos órganos anatómicamente unidos realizan una función más compleja. Por ejemplo, sistema digestivo, que consiste en varios órganos, asegura la digestión de los alimentos que ingresan al organismo, la absorción de los productos digestivos y la eliminación de los residuos no utilizados.
Y el nivel más alto de organización es el nivel organísmico. Todos los sistemas y subsistemas del cuerpo funcionan como un bien sintonizado. instrumento musical. El trabajo coordinado de todos los niveles se logra gracias al mecanismo de autorregulación, es decir. apoyo a un cierto nivel de diversos indicadores biológicos. Al menor desequilibrio en el funcionamiento de cualquier nivel, el cuerpo humano comienza a trabajar de forma intermitente.

¿Qué son las células madre?

El término “células madre” fue introducido en la ciencia por el histólogo ruso A. Maksimov en 1908. Las células madre (SC) son células no especializadas. Todavía se las considera células inmaduras. Están presentes en casi todos los organismos multicelulares, incluidos los humanos. Las células se reproducen dividiéndose. Son capaces de convertirse en células especializadas, es decir. A partir de ellos se pueden formar varios tejidos y órganos.

lo mas un gran número de SK en bebés y niños; en la adolescencia, la cantidad de células madre en el cuerpo disminuye 10 veces y edad madura- ¡50 veces! Una disminución significativa en el número de SC durante el envejecimiento, así como enfermedades graves reduce la capacidad del cuerpo para curarse a sí mismo. Esto lleva a una conclusión desagradable: la actividad vital de muchos sistemas importantesórganos disminuye.

Las células madre y el futuro de la medicina

Los científicos médicos han prestado atención durante mucho tiempo a la plasticidad de las SC y a la posibilidad teórica de desarrollar a partir de ellas diversos tejidos y órganos del cuerpo humano. Los trabajos para estudiar las propiedades del SC comenzaron en la segunda mitad del siglo pasado. Como siempre, los primeros estudios se realizaron en animales de laboratorio. A principios de este siglo, comenzaron a intentarse utilizar SC para el crecimiento de tejidos y órganos humanos. Me gustaría contarles sobre los resultados más interesantes en esta dirección.

En 2004, los científicos japoneses lograron cultivar células capilares en condiciones de laboratorio. vasos sanguineos de SK.

Al año siguiente, investigadores estadounidenses de la Universidad Estatal de Florida lograron cultivar células cerebrales a partir de SC. Los científicos dijeron que estas células pueden implantarse en el cerebro y usarse para tratar enfermedades como el Parkinson y el Alzheimer.

En 2006, científicos suizos de la Universidad de Zurich desarrollaron válvulas cardíacas humanas en su laboratorio. Para este experimento, se utilizaron SC de líquido amniótico. El Dr. S. Hoerstrap cree que la técnica podría usarse para hacer crecer válvulas cardíacas para un feto que tenga defectos cardíacos. Después del nacimiento, el bebé puede recibir nuevas válvulas cultivadas a partir de células madre del líquido amniótico.

Ese mismo año, los médicos estadounidenses cultivaron un órgano completo en el laboratorio: vejiga. Las SC se tomaron de la persona para quien se cultivó este órgano. El Dr. E. Atala, director del Instituto de Medicina Regenerativa, dijo que en forma especial, que permanece en la incubadora durante varias semanas. Después de esto, el órgano terminado se trasplanta al paciente. Estas operaciones se realizan ahora como de costumbre.

En 2007, en un simposio médico internacional celebrado en Yokahama, especialistas japoneses de la Universidad de Tokio presentaron un informe sobre un sorprendente experimento científico. A partir de una única célula madre extraída de la córnea y colocada en un medio nutritivo, fue posible desarrollar una nueva córnea. Los científicos tenían la intención de iniciar estudios clínicos y seguir utilizando esta tecnología en el tratamiento ocular.

Los japoneses son líderes en el cultivo de dientes a partir de una sola célula. El SC se trasplantó a una estructura de colágeno y comenzó el experimento. Después de crecer, el diente parecía natural y tenía todos sus componentes, incluyendo dentina, vasos sanguíneos, esmalte, etc. El diente fue trasplantado a un ratón de laboratorio, echó raíces y funcionó normalmente. Los científicos japoneses ven grandes perspectivas en el uso de este método para hacer crecer un diente a partir de una SC y luego trasplantar la célula a su propietario.

Médicos japoneses de la Universidad de Kioto lograron obtener tejido renal y suprarrenal y un fragmento de un túbulo renal de las SC.

Cada año, millones de personas en todo el mundo mueren a causa de enfermedades del corazón, el cerebro, los riñones, el hígado, distrofia muscular etc. Las células madre pueden ayudar a tratarlos. Sin embargo, hay un punto que puede frenar el uso de células madre en práctica médica es la falta de internacional Marco legislativo: de dónde se puede tomar el material, cuánto tiempo se puede almacenar, cómo deben interactuar el paciente y su médico al usar SC.

Probablemente, la realización de experimentos médicos y el desarrollo de dicha ley deberían realizarse en paralelo.

) la tecnología no se utiliza en humanos, pero se están desarrollando y experimentando activamente en este ámbito. Según el director del Centro Científico Federal de Trasplantología y Órganos Artificiales que lleva el nombre de Shumakov, el profesor Sergei Gauthier, los órganos en crecimiento estarán disponibles en 10 a 15 años.

Situación

La idea de cultivar órganos humanos artificialmente no ha abandonado a los científicos durante más de medio siglo, desde que comenzaron a trasplantarse órganos de donantes a personas. Aunque es posible trasplantar la mayoría de los órganos a los pacientes, la cuestión de la donación es actualmente muy apremiante. Muchos pacientes mueren sin recibir su órgano. Cultivo artificial Los órganos pueden salvar millones de vidas humanas. Ya se han logrado algunos avances en esta dirección utilizando métodos de medicina regenerativa.

ver también

Notas

Fundación Wikimedia. 2010.

Vea qué es "Cultivo de órganos" en otros diccionarios:

Cultivo de células epiteliales teñidas. En la foto, queratina (roja) y ADN (verde). El cultivo celular es un proceso mediante el cual células individuales (o una sola célula) in vitro ... Wikipedia

Contiene algunos de los acontecimientos actuales, logros e innovaciones más destacados en diversos campos. tecnología moderna. Las nuevas tecnologías son aquellas innovaciones técnicas que representan cambios progresivos dentro del campo... ... Wikipedia

Preparación para la criónica La criónica (del griego κρύος frío, escarcha) es la práctica de preservar el cuerpo humano o la cabeza/cerebro en un estado de profundidad ... Wikipedia

2007 – 2008 2009 2010 – 2011 Ver también: Otros eventos en 2009 2009 Año Internacional astronomía (UNESCO). Contenido... Wikipedia

Gran diccionario médico

Creciendo con. X. cultivos bajo condiciones de riego. Uno de los tipos de agricultura más intensivos, desarrollado en zonas desérticas, semidesérticas y áridas, así como en áreas con insuficiente humedad durante determinadas temporadas de crecimiento. EN… …

Cultivar plantas en ausencia de microorganismos en un entorno que rodee toda la planta o (más a menudo) solo sus raíces (la esterilidad de toda la planta solo se puede garantizar en un recipiente cerrado, donde es difícil mantener lo necesario... . Gran enciclopedia soviética

Cultivo de microorganismos, células, tejidos u órganos animales y vegetales en condiciones artificiales... Enciclopedia médica

Trigo- (Trigo) El trigo es un cultivo de cereales muy extendido Concepto, clasificación, valor y propiedades nutricionales de las variedades de trigo Contenido >>>>>>>>>>>>>>> ... Enciclopedia de inversores

Europa- (Europa) Europa es una parte del mundo densamente poblada y altamente urbanizada que lleva el nombre de una diosa mitológica, que forma junto con Asia el continente de Eurasia y tiene una superficie de unos 10,5 millones de km² (aproximadamente el 2% de la superficie total de la Tierra) y... Enciclopedia de inversores

Libros

• Enfermedades de las aves domésticas y de granja. En 3 volúmenes, . El libro “Enfermedades de las aves de corral domésticas y de granja” es una traducción de la décima edición ampliada y revisada del manual sobre enfermedades de las aves, en cuya preparación…
• Enfermedades de las aves domésticas y de granja (número de volúmenes: 3), Kalnek B.U.. El libro “Enfermedades de las aves domésticas y de granja” es una traducción de la décima edición ampliada y revisada del manual sobre enfermedades de las aves, en preparación de que se llevaron...