Nove tehnologije omogućit će uzgoj organa. U Rusiji će se pojaviti jedinstvena tehnika uzgoja organa za transplantaciju iz vlastitih stanica pacijenta

Postindustrijski tempo razvoja čovječanstva, odnosno znanosti i tehnologije, toliko je velik da ga je bilo nemoguće zamisliti prije 100 godina. Ono o čemu se prije moglo čitati samo u popularnoj znanstvenoj fantastici sada se pojavilo u stvarnom svijetu.

Medicina 21. stoljeća naprednija je nego ikada. Bolesti koje su se prije smatrale smrtonosnima sada se uspješno liječe. Međutim, problemi onkologije, AIDS-a i mnogih drugih bolesti još nisu riješeni. Srećom, u skoroj budućnosti doći će do rješenja za te probleme, a jedan od njih će biti uzgoj ljudskih organa.

Osnove bioinženjeringa

Znanost, koja koristi informacijsku osnovu biologije i koristi analitičke i sintetske metode za rješavanje svojih problema, nastala je ne tako davno. Za razliku od konvencionalnog inženjerstva koje za svoje djelovanje koristi tehničke znanosti, ponajviše matematiku i fiziku, bioinženjering ide dalje i koristi se inovativnim metodama u obliku molekularne biologije.

Jedan od glavnih zadataka novonastale znanstvene i tehničke sfere je uzgoj umjetnih organa u laboratorijskim uvjetima u svrhu njihove daljnje transplantacije u tijelo pacijenta čiji je organ otkazao zbog oštećenja ili istrošenosti. Oslanjajući se na trodimenzionalne stanične strukture, znanstvenici su uspjeli napredovati u proučavanju učinaka raznih bolesti i virusa na aktivnost. ljudski organi.

Nažalost, to još nisu potpuni organi, već samo organoidi - rudimenti, nedovršena zbirka stanica i tkiva koja se mogu koristiti samo kao eksperimentalni uzorci. Njihova učinkovitost i životna sposobnost testirana je na pokusnim životinjama, uglavnom na raznim glodavcima.

Povijesna referenca. Transplantologija

Rastu bioinženjeringa kao znanosti prethodilo je dugo razdoblje razvoja biologije i drugih znanosti čija je svrha bila proučavanje ljudsko tijelo. Početkom 20. stoljeća poticaj za razvoj dobila je transplantologija, čija je zadaća bila proučavanje mogućnosti presađivanja organa davatelja drugoj osobi. Stvaranje tehnika koje mogu sačuvati donorske organe neko vrijeme, kao i dostupnost iskustva i detaljnih planova za transplantaciju, omogućili su kirurzima iz cijelog svijeta da uspješno presađuju organe kao što su srce, pluća i bubrezi u kasnim 60-ima. .

Na ovaj trenutak Princip transplantacije je najučinkovitiji ako je pacijent u opasnosti od smrtna opasnost. Glavni problem je akutna nestašica donorskih organa. Pacijenti mogu godinama čekati na svoj red, a da ga ne dođu. Osim toga, postoji visokog rizikačinjenica da se transplantirani donorski organ možda neće ukorijeniti u tijelu primatelja, budući da će ga imunološki sustav pacijenta smatrati strani predmet. U sukob ovaj fenomen Izumljeni su imunosupresivi, koji će, međutim, vjerojatnije osakatiti nego izliječiti - ljudski imunitet je katastrofalno oslabljen.

Prednosti umjetnog stvaranja u odnosu na transplantaciju

Jedna od glavnih konkurentskih razlika između metode uzgoja organa i presađivanja od donora je ta što se u laboratorijskim uvjetima organi mogu proizvoditi na temelju tkiva i stanica budućeg primatelja. U osnovi se koriste matične stanice koje imaju sposobnost diferencijacije u stanice određenih tkiva. Znanstvenik je u mogućnosti kontrolirati ovaj proces izvana, što značajno smanjuje rizik budućeg odbacivanja organa od strane ljudskog imunološkog sustava.

Štoviše, metodom umjetnog uzgoja organa moguće ih je proizvesti u neograničenom broju, čime se zadovoljavaju vitalne potrebe milijuna ljudi. Načelo masovne proizvodnje značajno će smanjiti cijenu organa, spasiti milijune života i značajno povećati ljudski opstanak te pomaknuti datum biološku smrt.

Napredak u bioinženjeringu

Danas znanstvenici mogu uzgojiti rudimente budućih organa - organoide, na kojima testiraju razne bolesti, viruse i infekcije kako bi pratili proces infekcije i razvili taktiku suprotstavljanja. Uspješnost funkcioniranja organoida testira se presađivanjem u tijela životinja: zečeva, miševa.

Također je vrijedno napomenuti da je bioinženjering postigao određene uspjehe u stvaranju punopravnih tkiva, pa čak iu uzgoju organa iz matičnih stanica, koje se, nažalost, još uvijek ne mogu transplantirati u ljude zbog njihove neoperabilnosti. Međutim, trenutno su znanstvenici naučili umjetno stvoriti hrskavicu, krvne žile i druge spojne elemente.

Koža i kosti

Nedavno su znanstvenici sa Sveučilišta Columbia uspjeli stvoriti fragment kosti čija je struktura slična zglobu. Donja čeljust povezujući ga s bazom lubanje. Fragment je dobiven korištenjem matičnih stanica, kao u rastućim organima. Nešto kasnije, izraelska tvrtka Bonus BioGroup uspjela je izumiti novu metodu rekreacije ljudske kosti, koja je uspješno testirana na glodavcu - umjetno uzgojena kost presađena je u jednu od njegovih šapa. U ovom slučaju ponovno su korištene matične stanice, samo što su dobivene iz pacijentovog masnog tkiva i naknadno postavljene na koštanu skelu sličnu gelu.

Od 2000-ih liječnici za liječenje opeklina koriste specijalizirane hidrogelove i metode prirodne regeneracije oštećene kože. Suvremene eksperimentalne tehnike omogućuju izliječenje teških opeklina u nekoliko dana. Takozvani Skin Gun raspršuje posebnu mješavinu pacijentovih matičnih stanica na oštećenu površinu. Također postoji velik napredak u stvaranju stabilne funkcionalne kože s krvnim i limfnim žilama.

Nedavno su znanstvenici iz Michigana uspjeli uzgojiti dio mišićno tkivo, koji je, međutim, dvostruko slabiji od originala. Slično tome, znanstvenici iz Ohija stvorili su trodimenzionalna želučana tkiva koja su bila u stanju proizvesti sve enzime potrebne za probavu.

Japanski znanstvenici uspjeli su gotovo nemoguće - uzgojili su potpuno funkcionalno ljudsko oko. Problem s transplantacijom je da se pričvrsti optički živac oči u mozak još nije moguće. U Teksasu su također umjetno uzgojena pluća u bioreaktoru, ali bez krvnih žila, što dovodi u sumnju njihovu funkcionalnost.

Izgledi razvoja

Neće proći dugo do trenutka u povijesti kada će se većina organa i tkiva stvorenih u umjetnim uvjetima moći presaditi u ljude. Već su znanstvenici iz cijelog svijeta razvili projekte i eksperimentalne uzorke, od kojih neki nisu niži od originala. Koža, zubi, kosti, sve unutarnji organi nakon nekog vremena bit će moguće stvarati u laboratorijima i prodavati ljudima u potrebi.

Nove tehnologije također ubrzavaju razvoj bioinženjeringa. 3D printanje, koje je postalo rašireno u mnogim područjima ljudskog života, također će biti korisno u uzgoju novih organa. 3D bioprinteri već se eksperimentalno koriste od 2006. godine, a u budućnosti će moći stvarati trodimenzionalne obradive modele bioloških organa prijenosom staničnih kultura na biokompatibilni supstrat.

Opći zaključak

Bioinženjering kao znanost, čija je svrha uzgoj tkiva i organa za njihovu daljnju transplantaciju, nastao je ne tako davno. Skokovit tempo kojim korača stazom napretka karakteriziraju značajna postignuća koja će u budućnosti spasiti milijune života.

Kosti i unutarnji organi uzgojeni iz matičnih stanica uklonit će potrebu za donorskih organa, čija je količina već u stanju nestašice. Znanstvenici već imaju mnogo razvoja, čiji rezultati još nisu vrlo produktivni, ali imaju ogroman potencijal.

Bioprinter je biološka varijacija reprap tehnologije, uređaj koji može stvoriti bilo koji organ od stanica, taložeći stanice sloj po sloj, već je stvoren. U prosincu 2009. američka tvrtka Organovo i australska tvrtka Invetech razvile su bioprinter namijenjen maloj industrijskoj proizvodnji. Umjesto uzgoja željenog organa u epruveti, puno ga je lakše isprintati - tako misle tvorci koncepta.

Razvoj tehnologije započeo je prije nekoliko godina. Istraživači na nekoliko instituta i sveučilišta još uvijek rade na ovoj tehnologiji. No profesor Gabor Forgacs i osoblje njegovog laboratorija Forgacslab na Sveučilištu Missouri u sklopu projekta Organ Printing, koji je još 2007. otkrio nove suptilnosti bioprinta, bili su uspješniji na tom polju. Kako bi komercijalizirali svoj razvoj, profesor i suradnici pokrenuli su kampanju Organovo. Kampanjom je kreirana NovoGen tehnologija koja uključuje sve potrebne detalje bioprinta, kako u biološkom tako iu hardverskom dijelu.

Razvijen je sustav laserske kalibracije i robotski sustav za pozicioniranje glave s točnošću od nekoliko mikrometara. Ovo je vrlo važno za postavljanje stanica u pravilan položaj. Prve eksperimentalne pisače za Organovo (i prema njegovim "skicama") izradio je nScrypt (Slika 2). Ali ti uređaji još nisu bili prilagođeni za praktičnu upotrebu, te su korišteni za usavršavanje tehnologije.

U svibnju 2009. kampanja Organovo izabrala je medicinsku tvrtku Invetech za industrijskog partnera. Ova tvrtka ima više od 30 godina iskustva u proizvodnji laboratorijskih i medicinska oprema, uključujući računalne. Početkom prosinca, prvi primjerak 3D bioprintera koji uključuje NovoGen tehnologiju isporučen je iz Invetecha u Organovo. Novi proizvod odlikuje se kompaktnom veličinom, intuitivnim računalnim sučeljem, visokim stupnjem integracije komponenti i visokom pouzdanošću. U skoroj budućnosti Invetech namjerava isporučiti još nekoliko istih uređaja za Organovo, a već će distribuirati novi proizvod znanstvenoj zajednici. Novi uređaj toliko je skromnih dimenzija da se može smjestiti u biološki kabinet koji je neophodan za sterilno okruženje tijekom procesa tiskanja

Mora se reći da bioprint nije jedini način umjetnog stvaranja organa. Međutim, klasičan način uzgoj zahtijeva, prije svega, izradu okvira koji definira oblik budućeg organa. Istovremeno, sam okvir nosi opasnost da postane inicijator upale organa.

Prednost bioprintera je u tome što ne zahtijeva takav okvir. Oblik organa određuje sam uređaj za ispis, raspoređujući stanice u traženom redoslijedu. Sam bioprinter ima dvije glave napunjene s dvije vrste tinte. Prvi koristi ćelije kao tintu različite vrste, au drugom - pomoćni materijali (potporni hidrogel, kolagen, faktori rasta). Pisač može imati više od dvije "boje" - ako trebate koristiti različite stanice ili pomoćni materijali raznih vrsta.

Posebnost NovoGen tehnologije je da se ispis ne vrši po pojedinačnim ćelijama. Pisač odmah taloži konglomerat od nekoliko desetaka tisuća stanica. Ovo je glavna razlika između NovoGen tehnologije i drugih tehnologija bioispisa.

Dijagram rada pisača prikazan je na slici 4.

Dakle, prvo se uzgajaju potrebna tkiva. Izraslo tkivo se zatim reže u cilindre u omjeru promjera i duljine 1:1 (točka a). Sljedeća - točka b - ovi cilindri su privremeno smješteni u poseban hranjivi medij, gdje poprimaju oblik malih kuglica. Promjer takve lopte je 500 mikrometara (pola milimetra). Narančasta boja tkanine postiže se posebnom bojom. Zatim se kuglice stavljaju u uložak (točka c) -- koji sadrži pipete koje se pune kuglicama redom jedna po jedna. Sam trodimenzionalni bioprinter (točka d) mora taložiti te sferoide s mikrometarskom preciznošću (to jest, pogreška mora biti manja od tisućinke milimetra). Pisač je također opremljen kamerama koje mogu pratiti proces ispisa u stvarnom vremenu.

Stvoreni uzorak pisača radi s tri "boje" odjednom - dvije vrste stanica (u posljednjim Forgachovim eksperimentima to su bile stanice srčanog mišića i epitelne stanice) - a treća je mješavina koja uključuje gel za pričvršćivanje koji sadrži kolagen, faktor rasta i niz drugih tvari. Ova smjesa omogućuje organu da zadrži svoj oblik prije nego što stanice srastu (točka d).

Prema Gaborovim riječima, printer ne reproducira točno strukturu orgulja. Međutim, to nije potrebno. Sam prirodni program stanica ispravlja strukturu organa.

Dijagram sastavljanja orgulja i spajanja kuglica u orgulje prikazan je na slici 5.

Tijekom pokusa bioprinter je ispisao "srce" od endotelnih stanica i stanica srčanog mišića piletine (Slika 6). Nakon 70 sati kuglice su srasle u jedan sustav, a nakon 90 sati "srce" se počelo skupljati. Štoviše, endotelne stanice formirale su strukture slične kapilarama. Također mišićne stanice, koji se u početku skupljao kaotično, s vremenom se samostalno sinkronizirao i počeo simultano skupljati. Međutim, ovaj prototip srca još nije prikladan za praktičnu upotrebu – čak i ako se umjesto kokošjih stanica koriste ljudske stanice – tehnologija biotiska mora se dodatno poboljšati.

Puno bolji pisač radi bolji posao stvarajući više jednostavni organi-- na primjer, komadići ljudske kože ili krvnih žila. Kod ispisa krvnih žila kolagensko ljepilo se nanosi ne samo na rubove žile, već i na sredinu. A onda, kada stanice srastu, ljepilo se lako uklanja. Zidovi krvnih žila sastoje se od tri sloja stanica - endotela, glatkih mišića i fibroblasta. Ali istraživanje je pokazalo da se samo jedan sloj koji se sastoji od mješavine ovih stanica može reproducirati u tisku - same stanice migriraju i poredaju se u tri homogena sloja. Ova činjenica može olakšati proces tiskanja mnogih organa. Stoga Forgacov tim već može stvoriti vrlo tanke i razgranate posude bilo kojeg oblika. Istraživači sada rade na izgradnji sloja mišića na žilama, što će učiniti žile prikladnima za implantaciju. Posebno su zanimljive posude manje od 6 milimetara, jer za veće postoje prikladni sintetski materijali.

Ilustracija s drugim eksperimentima biotiskanja nalazi se na slici 7.

Točka a je prsten od dvije vrste bio-tinte. Posebno su obojeni različitim fluorescentnim tvarima. Ispod je isti prsten nakon 60 sati. Stanice rastu same od sebe. Točka b je razvoj cijevi napravljene od prstenova prikazanih na slici. Stavka c gore je 12-slojna cijev sastavljena od glatkih mišićnih stanica pupkovine; točka c, ispod - razgranata cijev - prototip posuda za transplantaciju. Točka d - konstrukcija kontrakcijskog srčanog tkiva. S lijeve strane je rešetka (6 sa 6) sferoida sa stanicama srčanog mišića (bez endotela), otisnuta na kolagenskom "biopapiru". Ako se istoj “tinti” dodaju endotelne stanice (druga slika je crvena, kardiomiociti su ovdje prikazani zelenom), one prvo popune prostor između sferoida, a nakon 70 sati (točka d, desno) cijelo tkivo postaje jedinstvena cjelina. Dolje: grafikon kontrakcije stanica rezultirajućeg tkiva. Kao što se može vidjeti, amplituda (mjerena okomito) kontrakcija je približno 2 mikrona, a period je oko dvije sekunde (vrijeme označeno vodoravno) (fotografije i ilustracije Forgacs et al).

Slika 8 također prikazuje strukturu tiskanog srčanog tkiva (fotografije Forgacs etal).

Prvi uzorci 3D bioprintera iz Organova i Invetecha bit će dostupni istraživačkim i medicinskim organizacijama 2011. godine.

Treba napomenuti da Organovo nije jedini igrač na ovom tržištu. Prije nekog vremena zapadna biotehnološka tvrtka Tengion predstavila je svoju tehnologiju rekreacije organa. Postoje neke razlike između Tengion i Organovo pristupa. Na primjer, dvije tehnologije imaju različite pristupe organiziranju živih stanica u skupine za stvaranje tkiva; osim toga, tiskari tvrtki imaju različite pristupe problemu dobivanja uzoraka i analize gena. Obje tvrtke napominju da se suočavaju s istim poteškoćama - prilično je teško reproducirati složene tkanine, a oba pisača se jako dugo postavljaju za jednu vrstu 3D ispisa. Također, dizajn samog pisača samo je dio zadatka. Također je potrebno izraditi poseban softver koji će pomoći simulirati tkaninu prije ispisa i brzo rekonfigurirati pisač. Sam bi printer trebao moći izraditi najsloženiji organ u nekoliko sati. Tanke kapilare treba što prije nahraniti hranjivim tvarima, inače će organ umrijeti. Međutim, obje tvrtke imaju isto konačni cilj- “otisak” ljudskih organa.

U početku će se oprema koristiti u istraživačke svrhe. Na primjer, ispisani fragmenti jetre mogu se koristiti u toksikološki pokusi. Kasnije se umjetni fragmenti kože i mišića, kapilara, kosti mogu koristiti za liječenje teških ozljeda i za plastična operacija. I Organovo i Tengion slažu se da će se oprema koja može brzo i učinkovito ispisati cijele organe pojaviti oko 2025.-2030. Uvođenje biotiska uvelike će smanjiti troškove stvaranja novih organa. Novi organi mogu se koristiti za zamjenu zastarjelih dijelova ljudskog tijela i, kao rezultat toga, radikalno produljenje života (ismrtnost). U budućnosti će nam biotisak omogućiti izmišljanje novoga bioloških organa za poboljšanje ljudi i životinja i izum umjetnih živih bića.

Tehnologije biotiska.

Ovaj post govori o bioprinterima - izumu koji će pomoći čovjeku da mu izrastu novi organi koji će nadomjestiti starenjem istrošene organe i tako značajno produljiti život.

O tehnologiji bioprintinga koju je razvio Gabor Forgacs u kampanji Organovo već sam govorio u jednom od prethodnih postova. No, to nije jedina tehnologija za stvaranje umjetnih organa od stanica. Da budemo pošteni, postoje i drugi vrijedni razmatranja. Zasad su svi daleko od masovne primjene, ali činjenica da se radi na takvim poslovima ohrabruje i daje nadu da će barem jedna linija umjetnih organa postići uspjeh.

Prvi je razvoj američkih znanstvenika Vladimira Mironova iz medicinsko sveučilište Južna Karolina (Medical University of South Carolina) i Thomas Boland sa Sveučilišta Clemson. Istraživanje je prvi započeo dr. Boland, koji je došao na ideju i započeo istraživanja u svom laboratoriju, te na to privukao svog kolegu.

Zajedno su pomoću pisača uspjeli implementirati tehnologiju taloženja stanica sloj po sloj. Za eksperiment su korišteni stari Hewlett-Packardovi printeri – stari modeli jer su njihovi ulošci imali dovoljno velike rupe da ne oštećuju ćelije. Patrone su pažljivo očišćene od tinte, a umjesto tinte punjene su staničnom masom. Također smo morali malo redizajnirati printer i izraditi softver za kontrolu temperature, električnog otpora i viskoznosti "žive tinte".

Drugi su znanstvenici prije toga pokušavali nanositi stanice na ravninu sloj po sloj, ali ovi su bili prvi koji su to mogli učiniti pomoću inkjet pisača.

Znanstvenici se neće zaustaviti na crtanju stanica na ravninu.

Za ispis trodimenzionalnog organa predlaže se korištenje egzotičnog termoreverzibilnog (ili "termoreverzibilnog") gela, koji je nedavno stvorila Anna Gutowska iz Pacific Northwest National Laboratory, kao ljepilo za spajanje stanica.

Ovaj gel je tekući na 20 stupnjeva Celzijusa, a stvrdnjava se na temperaturama višim od 32 stupnja. I, srećom, nije štetan za biološka tkiva.

Prilikom ispisa, jedan sloj stanica i slojevi gela talože se na staklenu podlogu (vidi sliku 1). Ako su slojevi dovoljno tanki, stanice tada rastu zajedno. Gel ne ometa spajanje stanica, a ujedno daje strukturi čvrstoću dok stanice ne srastu. Nakon toga gel se lako uklanja vodom.

Tim je već proveo nekoliko eksperimenata koristeći lako dostupne stanične kulture, vrsta stanica jajnika hrčka.

Prema autorima, trodimenzionalni ispis može riješiti problem stvaranja novih organa za medicinu koji bi zamijenili oštećene ili uzgoj organa za biološke pokuse. Najvjerojatnije će tehnologija uzgoja velikih površina kože za liječenje opeklina prva biti puštena u masovnu upotrebu. Budući da će se početne stanice za uzgoj “žive tinte” uzimati od samog pacijenta, ne bi trebalo biti problema s odbacivanjem.

Također imajte na umu da tradicionalni uzgoj organa može trajati nekoliko tjedana - tako da pacijent možda neće čekati željeni organ. Kada se organ transplantira od druge osobe, obično tek svaka deseta osoba uspije dočekati svoj red za organ, ostali umiru. Ali tehnologija bioprintinga, s obzirom na dovoljno stanica, može potrajati samo nekoliko sati da se izgradi organ.

Tijekom ispisa trebat će se riješiti problemi poput hranjenja umjetnog organa. Očito, printer mora ispisati organ sa svim žilama i kapilarama, kroz koje bi se trebale dovoditi hranjive tvari tijekom procesa ispisa (međutim, kako su pokazali eksperimenti Gabora Forgacsa, barem neki organi mogu sami formirati kapilare) . Također, organ bi trebao biti ispisan za najviše nekoliko sati - stoga, da bi se povećala čvrstoća pričvršćivanja stanica, predlaže se dodavanje proteina kolagena u otopinu za spajanje.

Prema znanstvenicima, bioprinteri će se pojaviti u klinikama za nekoliko godina. Izgledi koji se otvaraju su ogromni.

Za ispis ovom tehnologijom složen organ koji se sastoje od velikog broja ćelija, potrebni su ulošci s širokim izborom tinti. Međutim, dr. Phil Campbell i njegovi kolege sa sveučilišta Carnegie Mellon u Americi, posebice profesor robotike Lee Weiss - koji također eksperimentiraju s biotiskom - došli su do načina da smanje broj vrsta tinte bez štete za rezultirajući organ.

Da bi to učinio, predložio je korištenje otopine koja sadrži faktor rasta BMP-2 kao jedan od biocvijeća. Kao druga bioboja korištene su matične stanice dobivene iz mišića nogu miševa.

Zatim je printer na staklu ispisao četiri kvadrata sa stranicama od 750 mikrometara - u svakom od njih koncentracija hormona rasta bila je drugačija. Matične stanice koje su se našle u područjima s faktorima rasta počele su se pretvarati u stanice koštano tkivo. I što je veća koncentracija BMP-2, to je veći "prinos" diferenciranih stanica. Matične stanice koje su završile u čistim prostorima pretvorile su se u mišićne stanice, od tog razvojnog puta matična stanica odabire prema zadanim postavkama.

Prethodno stanice različite vrste uzgajali su se odvojeno. Ali, prema znanstveniku, uzgoj stanica zajedno čini ovu tehniku ​​bližom prirodnoj. "Možete stvoriti strukturu skele u kojoj jedan kraj razvija kost, drugi kraj razvija tetivu, a drugi kraj razvija mišić. To vam daje veću kontrolu nad regeneracijom tkiva", kaže autor rada. I koristit će se samo dvije vrste tinte, što pojednostavljuje dizajn bioprintera.

Za problem kontroliranih promjena staničnih struktura zainteresirali su se i znanstvenici iz Rusije. "Danas postoji mnogo razvoja u vezi s uzgojem tkiva iz matičnih stanica", komentira znanstvenik Nikolai Adreanov. -- Najbolji rezultati znanstvenici su postigli u uzgoju epitelno tkivo, budući da se njegove stanice vrlo brzo dijele. I sada istraživači pokušavaju koristiti matične stanice za stvaranje živčana vlakna, čije ćelije u prirodni uvjeti oporavljaju se vrlo sporo.”

Također, prema Lee Weissu, koji je razvio pisač, njihova je tehnologija još uvijek daleko od industrijske primjene. Osim toga, proširivanje znanja o biologiji ne bi škodilo. "Mogu ispisati neke prilično složene stvari. Ali vjerojatno je jedan od najvećih ograničavajućih faktora (za ovu tehnologiju) razumijevanje biologije. Morate točno znati što ispisati." Alexander Revishchin, kandidat bioloških znanosti, viši istraživač na Institutu za biologiju razvoja Ruske akademije znanosti, ističe još jedan problem. "U načelu, tiskanje tkiva "staničnom tintom" je moguće, ali tehnologija je još uvijek nesavršena. Na primjer, ako se matične stanice presade u neobične uvjete, te će stanice izgubiti nit prirodnog razvoja i komunikacije s okolnih stanica, što može dovesti do njihove degeneracije u tumor." organ bioprinter matičnih stanica

Ali nadajmo se da će se tehnologija razviti u narednim godinama.

Znanstvenici su po prvi put stvorili himeru čovjeka i svinje - članak koji opisuje ovaj eksperiment objavljen je 26. siječnja u znanstvenom časopisu Cell. Međunarodni tim znanstvenika predvođen Juanom Carlosom Izpisua Belmonteom, profesorom na Salk institutu za biološke studije (SAD), uzgajao je embrije koji sadrže ljudske matične stanice u svinjama 28 dana. Od dvije tisuće hibridnih embrija, 186 se razvilo u organizme u kojima ljudski dio bila jedna na deset tisuća stanica.

Himere su organizmi nazvani po čudovištu iz Grčki mitovi, koji spaja kozu, lava i zmiju, dobiveni su spajanjem genetskog materijala dviju životinja, ali bez rekombinacije DNK (odnosno razmjene genetskih informacija do koje dolazi pri začeću djeteta). Kao rezultat toga, himere imaju dva skupa genetski različitih stanica, ali funkcioniraju kao cijeli organ promijeniti. U eksperimentu o kojem piše Cell, znanstvenici su izvadili embrije iz gravidne krmače i ubacili im inducirane ljudske matične stanice, nakon čega su embriji poslani natrag na razvoj u tijelu svinje. Himerama se nije dalo roditi - već su ih se riješili ranoj faziženska trudnoća.

Zašto znanstvenici trebaju hibridne organizme?

Niša za orgulje

Jedan od glavnih ciljeva eksperimenta je uzgoj ljudskih organa u životinjskim tijelima. Neki pacijenti čekaju godinama u redu za transplantaciju, a stvaranje biološkog materijala na ovaj način moglo bi spasiti tisuće života. "Još smo daleko od toga, ali prvi i važan korak je napravljen", kaže Izpisua Belmonte. Ljudski organ uzgojen u himeri iz vlastitih stanica pacijenta riješio bi problem odbacivanja transplantata od strane pacijentovog tijela, budući da bi bio uzgojen iz njegovih vlastitih stanica.
Znanstvenici će razviti ljudske organe u tijelu životinje koristeći uređivanje gena (naime na inovativan način CRISPR-Cas9). U početku će se DNK životinjskog embrija promijeniti tako da se ne razvije potreban organ, poput srca ili jetre. Tu će “nišu” ispuniti ljudske matične stanice.

Pokusi pokazuju da se u himeri može stvoriti gotovo svaki organ - čak i onaj koji nije predviđen kod pokusne životinje. Drugi eksperiment iste skupine znanstvenika pokazao je da ubrizgavanje matičnih stanica štakora u tijelo miša omogućuje uzgoj žučnog mjehura, iako miševi evolucijski nemaju taj organ.

Japanski su znanstvenici još 2010. godine na isti način stvorili gušteraču štakora. Tim Izpisua Belmontea uspio je uzgojiti srce i oči štakora u tijelu miša. Dana 25. siječnja, jedan od njegovih kolega izvijestio je u članku u časopisu Nature da je njegova grupa uspjela izvesti obrnuti eksperiment - uzgojiti mišju gušteraču u štakoru i uspješno je presaditi. Organ je ispravno funkcionirao više od godinu dana.

Važan uvjet za uspjeh pokusa s himerama je ispravan omjer veličina organizama koji se povezuju. Na primjer, znanstvenici su ranije pokušali stvoriti himere od svinja i štakora, ali eksperiment je bio neuspješan. Puno su kompatibilniji ljudi, krave i svinje. Izpisua Belmonteov tim odlučio je koristiti svinje za stvaranje ljudske himere jednostavno zato što su jeftinije za korištenje od krava.

Hibridi među nama

U povijesti su već poznati slučajevi presađivanja određenih dijelova tijela sa životinja, uključujući svinje, na ljude. Još u 19. stoljeću američki liječnik Richard Kissam uspješno je transplantirao rožnicu šestomjesečne svinje u mladića. Ali punopravno stvaranje himera počelo je 60-ih godina prošlog stoljeća, kada je američka znanstvenica Beatrice Mintz u laboratoriju dobila prvi hibridni organizam kombinirajući stanice dviju različitih vrsta miševa - bijelog i crnog. Nešto kasnije, druga francuska znanstvenica, Nicole le Doirin, povezala je klice embrija kokoši i prepelice i 1973. godine objavila rad o razvoju hibridnog organizma. Godine 1988. Irving Weisman sa Sveučilišta Stanford stvorio je miša s ljudskim imunološkim sustavom (za istraživanje AIDS-a) i potom ugradio ljudske matične stanice u mozak miša za neurobiološka istraživanja. Godine 2012. rođeni su prvi primati himere: in Nacionalni centar U istraživanju primata u Oregonu, znanstvenici su stvorili makakije koji sadrže šest različitih DNK.

Štoviše, povijest već poznaje slučajeve ljudi-himera, iako ih društvo ne naziva takvima, a oni sami toga možda nisu svjesni. Godine 2002. preminula je stanovnica Bostona Karen Keegan genetski test kako bi se utvrdilo može li primiti bubreg od nekog od svojih rođaka. Testovi su pokazali nemoguće: DNK pacijentice nije odgovarao DNK njezinih bioloških sinova. Ispostavilo se da je Keegan imala kongenitalni kimerizam, koji se razvija u embriju kao posljedica kvara u procesu oplodnje: njezino tijelo sadržavalo je dva genetska seta, jedan u krvnim stanicama, drugi u stanicama u tkivima njezina tijela.

Formalno, himerom se može nazvati i osoba koja je primila strani transplantat. Koštana srž, - na primjer, u liječenju leukemije. U nekim slučajevima u krvi takvog pacijenta mogu se pronaći stanice s njegovom izvornom DNK i DNK davatelja. Drugi primjer je takozvani mikrokimerizam. U tijelu trudnice može se promatrati kretanje matičnih stanica fetusa koje nose svoj genom u organe trudnice - bubrege, jetru, pluća, srce, pa čak i mozak. Znanstvenici sugeriraju da se to može dogoditi u gotovo svakoj trudnoći, a takve stanice mogu ostati na novom mjestu tijekom cijelog života žene.

Ali u svim tim slučajevima, himere nastaju (prirodno ili ne) od dvoje ljudi. Druga stvar je kombinacija osobe i životinje. Transplantacija tkiva sa životinja na ljude može ih učiniti ranjivima na nove bolesti, zbog čega je naš imunološki sustav nije spreman. Mnogi su također uplašeni mogućnošću obdarivanja životinja ljudskim kvalitetama, čak i podizanjem razine svijesti. Znanstvenici pokušavaju uvjeriti javnost i vlasti da će takvi eksperimenti biti strogo kontrolirani od strane laboratorija i da će se koristiti samo za dobro. Nacionalni instituti za zdravlje SAD-a (NIH) nikada nisu financirali takve razvoje, navodeći njihovu neetičnost. Ali u kolovozu 2016. dužnosnici NIH-a rekli su da bi mogli ponovno razmotriti moratorij (odluka još nije donesena).

Za razliku od NIH-a, američka vojska izdašno financira takve eksperimente. Njegov projekt himera, koji je uključivao uzgoj svinje sa srcem druge svinje, nedavno je dobio vojnu potporu od 1,4 milijuna dolara za eksperimentiranje s uzgojem ljudskog srca u svinji, prema kardiologu Danielu Garryju sa Sveučilišta u Minnesoti.

Prije nego počnem raspravljati o temi članka, želim učiniti mali izlet, što je ljudsko tijelo. To će vam pomoći da shvatite koliko je važan rad bilo koje karike u složenom sustavu. ljudsko tijelo, što se može dogoditi ako dođe do kvara i kako moderna medicina pokušava riješiti probleme ako neki organ zakaže.

Ljudsko tijelo kao biološki sustav

Ljudsko tijelo je složen biološki sustav koji ima posebnu strukturu i obdaren je specifičnim funkcijama. Unutar ovog sustava postoji nekoliko razina organizacije. Najviša integracija je organska razina. Dalje se nižu sistemska, organska, tkivna, stanična i molekularna razina organizacije. Koordinirani rad svih razina sustava ovisi o harmoničan rad cijelo ljudsko tijelo.
Ako neki organ ili organski sustav ne radi ispravno, tada kršenja utječu više niže razine organizacije kao što su tkiva i stanice.

Molekularna razina– ovo je prva cigla. Kao što ime govori, cijelo ljudsko tijelo, kao i sva živa bića, sastoji se od bezbrojnih molekula.

Staničnu razinu možemo zamisliti kao raznolik sastav molekula koje tvore različite stanice.

Stanice udružene u tkiva različite morfologije i funkcioniranja čine tkivnu razinu.

Ljudski organi sadrže različita tkiva. Oni osiguravaju normalno funkcioniranje bilo kojeg organa. Ovo je razina organizacije organa.

Sljedeća razina organizacija – sustavna. Pojedini anatomski ujedinjeni organi obavljaju složeniju funkciju. Na primjer, probavni sustav, koja se sastoji od raznih organa, osigurava probavu hrane koja ulazi u tijelo, apsorpciju probavnih proizvoda i uklanjanje neiskorištenih ostataka.
A najviša razina organizacije je organska razina. Svi sustavi i podsustavi tijela rade kao dobro ugođeni glazbeni instrument. Koordinirani rad svih razina postiže se zahvaljujući mehanizmu samoregulacije, tj. podrška na određenoj razini različitih bioloških pokazatelja. Pri najmanjoj neravnoteži u funkcioniranju bilo koje razine, ljudsko tijelo počinje raditi s prekidima.

Što su matične stanice?

Pojam “matične stanice” u znanost je uveo ruski histolog A. Maksimov 1908. godine. Matične stanice (SC) su nespecijalizirane stanice. Još uvijek se smatraju nezrelim stanicama. Prisutni su u gotovo svim višestaničnim organizmima, uključujući i čovjeka. Stanice se same razmnožavaju diobom. Oni se mogu pretvoriti u specijalizirane stanice, tj. od njih mogu nastati razna tkiva i organi.

Najviše veliki broj KS u dojenčadi i djece; u adolescenciji se broj matičnih stanica u tijelu smanjuje 10 puta, a zrelo doba- 50 puta! Značajno smanjenje broja SC-a tijekom starenja, kao i ozbiljne bolesti smanjuje sposobnost tijela da se samoizliječi. To dovodi do neugodnog zaključka: životna aktivnost mnogih važnih sustava organa smanjuje.

Matične stanice i budućnost medicine

Medicinski znanstvenici već dugo obraćaju pozornost na plastičnost SC-a i teoretsku mogućnost uzgoja različitih tkiva i organa ljudskog tijela iz njih. Rad na proučavanju svojstava SC započeo je u drugoj polovici prošlog stoljeća. Kao i uvijek, prve studije provedene su na laboratorijskim životinjama. Do početka ovog stoljeća počeli su pokušaji korištenja SC-a za uzgoj ljudskih tkiva i organa. Želio bih vam reći o najzanimljivijim rezultatima u ovom smjeru.

Japanski znanstvenici 2004. godine uspjeli su uzgojiti kapilarne stanice u laboratorijskim uvjetima. krvne žile iz SK.

Sljedeće su godine američki istraživači sa Sveučilišta Florida State uspjeli uzgojiti moždane stanice iz SC-a. Znanstvenici kažu da se takve stanice mogu ugraditi u mozak i koristiti za liječenje bolesti poput Parkinsonove i Alzheimerove bolesti.

Godine 2006. švicarski znanstvenici sa Sveučilišta u Zürichu uzgojili su ljudske srčane zaliske u svom laboratoriju. Za ovaj pokus korišteni su SC iz amnionske tekućine. Dr. S. Hoerstrap vjeruje da bi se ova tehnika mogla koristiti za rast srčanih zalistaka nerođenom djetetu koje ima srčane mane. Nakon rođenja, beba može dobiti nove zaliske uzgojene iz matičnih stanica amnionske tekućine.

Iste godine američki liječnici uzgojili su cijeli organ u laboratoriju - mjehur. SC su uzeti od osobe za koju je uzgojen ovaj organ. Dr. E. Atala, direktor Instituta za regenerativnu medicinu, rekao je da se stanice i posebne tvari stavljaju u poseban oblik, koji ostaje u inkubatoru nekoliko tjedana. Nakon toga, gotov organ se transplantira u pacijenta. Takve se operacije sada izvode kao i obično.

Godine 2007., na međunarodnom medicinskom simpoziju u Yokahami, japanski stručnjaci sa Sveučilišta u Tokiju predstavili su izvješće o nevjerojatnom znanstvenom eksperimentu. Iz jedne matične stanice uzete iz rožnice i stavljene u hranjivi medij, bilo je moguće uzgojiti novu rožnicu. Znanstvenici su namjeravali započeti kliničke studije i dalje koristiti ovu tehnologiju u liječenju očiju.

Japanci su vodeći u uzgoju zuba iz jedne stanice. SC je transplantiran na kolagensku skelu i eksperiment je započeo. Nakon što je izrastao, zub je izgledao kao prirodan i imao je sve svoje komponente, uključujući dentin, krvne žile, caklinu itd. Zub je presađen u laboratorijskog miša, ukorijenio se i normalno funkcionirao. Japanski znanstvenici vide velike izglede za korištenje ove metode u uzgoju zuba iz jednog SC-a i potom presađivanju stanice u njenog vlasnika.

Japanski liječnici sa Sveučilišta u Kyotu uspjeli su dobiti tkivo bubrega i nadbubrežne žlijezde te fragment bubrežnog tubula iz SC-a.

Svake godine milijuni ljudi diljem svijeta umiru od bolesti srca, mozga, bubrega, jetre, mišićna distrofija itd. Matične stanice mogu pomoći u njihovom liječenju. Međutim, postoji jedna točka koja može usporiti korištenje matičnih stanica medicinska praksa je nedostatak međunar zakonodavni okvir: odakle se materijal može uzeti, koliko dugo se može čuvati, kako bi pacijent i njegov liječnik trebali komunicirati pri uporabi SC.

Vjerojatno bi provođenje medicinskih eksperimenata i razvoj takvog zakona trebali ići paralelno.

) tehnologija se ne koristi na ljudima, ali je u tijeku aktivan razvoj i eksperimentiranje u ovom području. Prema riječima ravnatelja Saveznog znanstvenog centra za transplantologiju i umjetne organe nazvanog po Šumakovu, profesora Sergeja Gauthiera, organi za uzgoj će postati dostupni za 10-15 godina.

Situacija

Ideja o umjetnom uzgoju ljudskih organa nije napustila znanstvenike više od pola stoljeća, otkako su se organi davatelja počeli presađivati ​​ljudima. Čak i ako je moguće presaditi većinu organa pacijentima, pitanje doniranja trenutno je vrlo hitno. Mnogi pacijenti umiru bez da dobiju svoj organ. Umjetni uzgoj organi mogu spasiti milijune ljudskih života. Neki pomaci u tom smjeru već su postignuti korištenjem metoda regenerativne medicine.

vidi također

Bilješke

Zaklada Wikimedia. 2010.

Pogledajte što je "uzgoj organa" u drugim rječnicima:

Obojena kultura epitelnih stanica. Na slici su keratin (crveno) i DNA (zeleno) Kultura stanica je proces kojim pojedinačne stanice (ili jedna stanica) in vitro ... Wikipedia

Sadrži neke od najistaknutijih aktualnih događaja, postignuća i inovacija u različitim područjima Moderna tehnologija. Nove tehnologije su one tehničke inovacije koje predstavljaju progresivne promjene unutar polja... ... Wikipedije

Priprema za krioniku Krionika (od grčkog κρύος hladnoća, mraz) je praksa očuvanja ljudskog tijela ili glave/mozga u stanju duboke ... Wikipedia

2007. – 2008. 2009. 2010. – 2011. Vidi također: Ostali događaji u 2009. 2009. Međunarodna godina astronomija (UNESCO). Sadržaj... Wikipedia

Veliki medicinski rječnik

Raste sa. X. usjeva u uvjetima navodnjavanja. Jedan od najintenzivnijih oblika poljoprivrede, razvijen u pustinjskim, polupustinjskim i sušnim zonama, kao iu područjima nedovoljno opskrbljenim vlagom tijekom pojedinih vegetacijskih sezona. U……

Uzgoj biljaka u odsutnosti mikroorganizama u okruženju koje okružuje cijelu biljku ili (češće) samo njezino korijenje (sterilnost cijele biljke može se osigurati samo u zatvorenoj posudi, gdje je teško održavati potrebne ... .. . Velika sovjetska enciklopedija

Uzgoj mikroorganizama, životinjskih i biljnih stanica, tkiva ili organa u umjetnim uvjetima... Medicinska enciklopedija

Pšenica- (Pšenica) Pšenica je raširena žitarica Pojam, klasifikacija, vrijednost i hranjiva svojstva sorti pšenice Sadržaj >>>>>>>>>>>>>>> ... Enciklopedija investitora

Europa- (Europa) Europa je gusto naseljen, visoko urbanizirani dio svijeta nazvan po mitološkoj božici, koji zajedno s Azijom čini kontinent Euroazije i ima površinu od oko 10,5 milijuna km² (otprilike 2% ukupne površine Zemlja) i ... Enciklopedija investitora

knjige

• Bolesti domaćih i domaćih ptica. U 3 sveska,. Knjiga “Bolesti domaće i farmske peradi” prijevod je desetog, proširenog i prerađenog izdanja priručnika o bolestima ptica u čijoj je pripremi…
• Bolesti domaćih i farmskih ptica (broj svezaka: 3), Kalnek B.U. Knjiga “Bolesti domaćih i farmskih ptica” prijevod je desetog, proširenog i prerađenog izdanja priručnika o bolestima ptica, u pripremi koje su uzeli...