Le nuove tecnologie renderanno possibile la coltivazione di organi. In Russia apparirà una tecnica unica per coltivare organi per il trapianto dalle cellule del paziente

Il ritmo postindustriale dello sviluppo umano, vale a dire della scienza e della tecnologia, è così grande che era impossibile immaginarlo 100 anni fa. Ciò che prima si poteva leggere solo nella fantascienza popolare, ora è apparso nel mondo reale.

La medicina del 21° secolo è più avanzata che mai. Malattie che prima erano considerate mortali ora vengono curate con successo. Tuttavia, i problemi dell’oncologia, dell’AIDS e di molte altre malattie non sono ancora stati risolti. Fortunatamente, nel prossimo futuro si troverà una soluzione a questi problemi, una delle quali sarà la coltivazione di organi umani.

Fondamenti di Bioingegneria

La scienza, che utilizza le basi informative della biologia e utilizza metodi analitici e sintetici per risolvere i suoi problemi, ha avuto origine non molto tempo fa. A differenza dell’ingegneria convenzionale, che utilizza per le sue attività le scienze tecniche, principalmente matematica e fisica, la bioingegneria va oltre e utilizza metodi innovativi sotto forma di biologia molecolare.

Uno dei compiti principali della nuova sfera scientifica e tecnica è la coltivazione di organi artificiali condizioni di laboratorio ai fini del loro ulteriore trapianto nel corpo di un paziente il cui organo ha ceduto a causa di danni o usura. Facendo affidamento su strutture cellulari tridimensionali, gli scienziati sono riusciti a fare progressi nello studio degli effetti di varie malattie e virus sull'attività. organi umani.

Sfortunatamente, questi non sono ancora organi a tutti gli effetti, ma solo organoidi: rudimenti, una raccolta incompiuta di cellule e tessuti che possono essere utilizzati solo come campioni sperimentali. Le loro prestazioni e vivibilità sono testate su animali da esperimento, principalmente su vari roditori.

Riferimento storico. Trapiantologia

La crescita della bioingegneria come scienza è stata preceduta da un lungo periodo di sviluppo della biologia e di altre scienze, il cui scopo era studiare corpo umano. All'inizio del 20° secolo, ha ricevuto impulso per il suo sviluppo la trapiantologia, il cui compito era studiare la possibilità di trapiantare un organo donatore ad un'altra persona. La creazione di tecniche in grado di preservare per lungo tempo gli organi dei donatori, nonché la disponibilità di esperienza e piani dettagliati per i trapianti, hanno permesso ai chirurghi di tutto il mondo di trapiantare con successo organi come cuore, polmoni e reni alla fine degli anni '60 .

SU questo momento Il principio del trapianto è più efficace se il paziente è in pericolo pericolo mortale. Il problema principale è grave carenza organi donatori. I pazienti possono aspettare il loro turno per anni senza ottenerlo. Inoltre c'è alto rischio il fatto che l’organo donatore trapiantato potrebbe non attecchire nel corpo del ricevente, poiché il sistema immunitario del paziente lo considererà come corpo estraneo. Nello scontro questo fenomeno Sono stati inventati gli immunosoppressori, che, tuttavia, hanno maggiori probabilità di paralizzare che curare: l'immunità umana è catastroficamente indebolita.

Vantaggi della creazione artificiale rispetto al trapianto

Una delle principali differenze competitive tra il metodo di coltivazione degli organi e quello di trapianto da un donatore è che in condizioni di laboratorio gli organi possono essere prodotti sulla base di tessuti e cellule del futuro ricevente. Fondamentalmente vengono utilizzate cellule staminali che hanno la capacità di differenziarsi in cellule di determinati tessuti. Lo scienziato è in grado di controllare questo processo dall'esterno, il che riduce significativamente il rischio di futuro rigetto dell'organo da parte del sistema immunitario umano.

Inoltre, utilizzando il metodo della coltivazione artificiale degli organi, è possibile produrne un numero illimitato, soddisfacendo così i bisogni vitali di milioni di persone. Il principio della produzione di massa ridurrà significativamente il prezzo degli organi, salvando milioni di vite e aumentando significativamente la sopravvivenza umana e posticipando la data della sua morte biologica.

Progressi nella bioingegneria

Oggi gli scienziati sono in grado di coltivare i rudimenti dei futuri organi: gli organoidi, sui quali testano varie malattie, virus e infezioni al fine di tracciare il processo di infezione e sviluppare tattiche di contrasto. Il successo del funzionamento degli organoidi viene testato trapiantandoli nei corpi degli animali: conigli, topi.

Vale anche la pena notare che la bioingegneria ha ottenuto alcuni successi nella creazione di tessuti a tutti gli effetti e persino nella coltivazione di organi da cellule staminali, che, sfortunatamente, non possono ancora essere trapiantate nell'uomo a causa della loro inoperabilità. Tuttavia, al momento, gli scienziati hanno imparato a creare artificialmente cartilagine, vasi sanguigni e altri elementi di collegamento.

Pelle e ossa

Non molto tempo fa, gli scienziati della Columbia University sono riusciti a creare un frammento osseo con una struttura simile a un'articolazione. mascella inferiore collegandolo alla base del cranio. Il frammento è stato ottenuto attraverso l'utilizzo di cellule staminali, come negli organi in crescita. Poco dopo, la società israeliana Bonus BioGroup è riuscita a inventare un nuovo metodo per ricreare l'osso umano, che è stato testato con successo su un roditore: l'osso cresciuto artificialmente è stato trapiantato in una delle sue zampe. Anche in questo caso sono state utilizzate cellule staminali, solo che sono state ottenute dal tessuto adiposo del paziente e successivamente posizionate su un’impalcatura ossea gelatinosa.

Dagli anni 2000, i medici utilizzano idrogel specializzati e metodi di rigenerazione naturale della pelle danneggiata per curare le ustioni. Le moderne tecniche sperimentali consentono di curare gravi ustioni in pochi giorni. La cosiddetta Skin Gun spruzza una speciale miscela di cellule staminali del paziente sulla superficie danneggiata. Ci sono anche importanti progressi nella creazione di una pelle stabile e funzionante con vasi sanguigni e linfatici.

Recentemente, gli scienziati del Michigan sono riusciti a far crescere parte del tessuto muscolare, che però è due volte più debole dell'originale. Allo stesso modo, gli scienziati dell’Ohio hanno creato tessuti dello stomaco tridimensionali in grado di produrre tutti gli enzimi necessari per la digestione.

Gli scienziati giapponesi hanno realizzato l'impossibile: hanno sviluppato un occhio umano perfettamente funzionante. Il problema con il trapianto è quello di allegare nervo ottico occhi al cervello non è ancora possibile. Anche in Texas i polmoni sono stati coltivati ​​artificialmente in un bioreattore, ma senza vasi sanguigni, il che mette in dubbio la loro funzionalità.

Prospettive di sviluppo

Non passerà molto tempo prima che arrivi il momento storico in cui la maggior parte degli organi e dei tessuti creati in condizioni artificiali potranno essere trapiantati negli esseri umani. Scienziati di tutto il mondo hanno già sviluppato progetti e campioni sperimentali, alcuni dei quali non sono inferiori agli originali. Pelle, denti, ossa, tutto organi interni dopo qualche tempo sarà possibile creare nei laboratori e venderli alle persone bisognose.

Le nuove tecnologie stanno inoltre accelerando lo sviluppo della bioingegneria. La stampa 3D, ormai diffusa in molti ambiti della vita umana, sarà utile anche per la crescita di nuovi organi. Le biostampanti 3D sono già utilizzate sperimentalmente dal 2006 e in futuro saranno in grado di creare modelli tridimensionali realizzabili di organi biologici trasferendo colture cellulari su un substrato biocompatibile.

Conclusione generale

La bioingegneria come scienza, il cui scopo è coltivare tessuti e organi per il loro ulteriore trapianto, è nata non molto tempo fa. Il ritmo accelerato con cui sta marciando lungo la via del progresso è caratterizzato da risultati significativi che salveranno milioni di vite in futuro.

Le ossa e gli organi interni coltivati ​​da cellule staminali ne elimineranno la necessità organi donatori, la cui quantità è già in stato di penuria. Gli scienziati hanno già molti sviluppi, i cui risultati non sono ancora molto produttivi, ma hanno un potenziale enorme.

Una bioprinter è una variante biologica della tecnologia reprap, un dispositivo in grado di creare qualsiasi organo dalle cellule, depositando le cellule strato dopo strato. Nel dicembre 2009, la società americana Organovo e la società australiana Invetech hanno sviluppato una biostampante progettata per la produzione industriale su piccola scala. Invece di coltivare l'organo desiderato in una provetta, è molto più semplice stamparlo: questo è ciò che pensano gli sviluppatori del concetto.

Lo sviluppo della tecnologia è iniziato diversi anni fa. I ricercatori di diversi istituti e università stanno ancora lavorando su questa tecnologia. Ma il professor Gabor Forgacs e i collaboratori del suo laboratorio Forgacslab presso l’Università del Missouri nell’ambito del progetto Organ Printing, che nel 2007 hanno rivelato nuove sottigliezze del bioprinting, hanno avuto più successo in questo campo. Per commercializzare i loro sviluppi, il professore e i suoi collaboratori hanno fondato la campagna Organovo. La campagna ha creato la tecnologia NovoGen, che comprendeva tutti i dettagli necessari del bioprinting, sia nella parte biologica che nella parte hardware.

Sono stati sviluppati un sistema di calibrazione laser e un sistema robotico di posizionamento della testa con una precisione di diversi micrometri. Questo è molto importante per posizionare le celle nella posizione corretta. Le prime stampanti sperimentali per Organovo (e secondo i suoi "schizzi") sono state costruite da nScrypt (Figura 2). Ma questi dispositivi non erano ancora adatti all’uso pratico e venivano utilizzati per perfezionare la tecnologia.

Nel maggio 2009 la campagna Organovo ha scelto come partner industriale l'azienda medica Invetech. Questa azienda ha più di 30 anni di esperienza nella produzione di laboratori e attrezzature mediche, anche informatizzati. All’inizio di dicembre, la prima copia di una biostampante 3D che incorpora la tecnologia NovoGen è stata spedita da Invetech a Organovo. Il nuovo prodotto si distingue per le sue dimensioni compatte, l'interfaccia intuitiva del computer, l'alto grado di integrazione dei componenti e l'elevata affidabilità. Nel prossimo futuro, Invetech intende fornire molti altri dispositivi simili ad Organovo e sta già distribuendo il nuovo prodotto alla comunità scientifica. Nuovo dispositivo ha dimensioni talmente modeste da poter essere collocato in una cabina biologica, necessaria per garantire un ambiente sterile durante il processo di stampa

Va detto che la bioprinting non è l’unico modo per creare artificialmente organi. Tuttavia, modo classico la coltivazione richiede, innanzitutto, la realizzazione di un telaio che definisca la forma del futuro organo. Allo stesso tempo, il telaio stesso comporta il pericolo di diventare l'iniziatore dell'infiammazione dell'organo.

Il vantaggio di una biostampante è che non richiede tale struttura. La forma dell'organo è determinata dal dispositivo di stampa stesso, disponendo le celle nell'ordine richiesto. La stessa biostampante ha due testine riempite con due tipi di inchiostro. Il primo utilizza le cellule come inchiostro vari tipi e nel secondo - materiali ausiliari (supporto di idrogel, collagene, fattori di crescita). La stampante può avere più di due "colori", se necessario cellule diverse o materiali ausiliari di vario tipo.

Una caratteristica speciale della tecnologia NovoGen è che la stampa non viene eseguita dalle singole celle. La stampante deposita immediatamente un conglomerato di diverse decine di migliaia di cellule. Questa è la principale differenza tra la tecnologia NovoGen e altre tecnologie di bioprinting.

Il diagramma di funzionamento della stampante è mostrato nella Figura 4.

Quindi, prima vengono coltivati ​​i tessuti necessari. Il tessuto cresciuto viene quindi tagliato in cilindri in un rapporto diametro/lunghezza di 1:1 (punto a). Successivamente - punto b - questi cilindri vengono temporaneamente collocati in un apposito mezzo nutritivo, dove assumono la forma di piccole palline. Il diametro di una tale palla è di 500 micrometri (mezzo millimetro). Il colore arancione del tessuto è ottenuto utilizzando una tintura speciale. Successivamente, le sfere vengono caricate in una cartuccia (punto c), che contiene pipette riempite di sfere in ordine una per una. La stessa biostampante tridimensionale (punto d) deve depositare questi sferoidi con precisione micrometrica (cioè l’errore deve essere inferiore al millesimo di millimetro). La stampante è inoltre dotata di telecamere in grado di monitorare il processo di stampa in tempo reale.

La stampante campione creata funziona con tre "colori" contemporaneamente: due tipi di cellule (negli ultimi esperimenti di Forgach si trattava di cellule del muscolo cardiaco e cellule epiteliali) - e il terzo è una miscela che comprende un gel di fissaggio contenente collagene, fattore di crescita e una serie di altre sostanze. Questa miscela permette all'organo di mantenere la sua forma prima che le cellule crescano insieme (punto d).

Secondo Gabor la stampante non riproduce esattamente la struttura dell'organo. Tuttavia, ciò non è obbligatorio. Il programma naturale delle cellule stesso corregge la struttura dell'organo.

Lo schema dell'assemblaggio dell'organo e della fusione delle sfere nell'organo è mostrato in Figura 5.

Durante gli esperimenti, una biostampante ha stampato un “cuore” da cellule endoteliali e cellule muscolari cardiache di pollo (Figura 6). Dopo 70 ore, le palline si sono riunite in un unico sistema e dopo 90 ore il "cuore" ha iniziato a contrarsi. Inoltre, le cellule endoteliali formavano strutture simili ai capillari. Anche cellule muscolari, che inizialmente si contraeva in modo caotico, col tempo si sincronizzava in modo indipendente e iniziava a contrarsi simultaneamente. Tuttavia, questo prototipo di cuore non è ancora adatto all’uso pratico – anche se si utilizzano cellule umane invece di cellule di pollo – la tecnologia di bioprinting deve essere ulteriormente migliorata.

Una stampante molto migliore fa un lavoro migliore nel creare di più organi semplici-- Ad esempio, pezzi di pelle umana o vasi sanguigni. Quando si stampano i vasi sanguigni, la colla di collagene viene applicata non solo sui bordi del vaso, ma anche al centro. E poi, quando le cellule crescono insieme, la colla viene facilmente rimossa. Le pareti della nave sono costituite da tre strati di cellule: endotelio, muscolatura liscia e fibroblasti. Ma la ricerca ha dimostrato che nella stampa è possibile riprodurre solo uno strato costituito da una miscela di queste cellule: le cellule stesse migrano e si allineano in tre strati omogenei. Questo fatto può facilitare il processo di stampa di molti organi. Pertanto, il team di Forgacs può già creare vasi molto sottili e ramificati di qualsiasi forma. I ricercatori stanno ora lavorando per costruire uno strato di muscolo sui vasi, che renderà i vasi adatti all’impianto. Di particolare interesse sono i vasi di spessore inferiore a 6 millimetri, poiché per quelli più grandi esistono materiali sintetici adatti.

Un'illustrazione con altri esperimenti di bioprinting è nella Figura 7.

Il punto a è un anello di due tipi di bioinchiostro. Sono appositamente verniciati con diverse sostanze fluorescenti. Di seguito è riportato lo stesso anello dopo 60 ore. Le cellule crescono insieme da sole. Il punto b è lo sviluppo di un tubo ricavato dagli anelli mostrati in figura. L'elemento c sopra è un tubo a 12 strati composto da cellule muscolari lisce del cordone ombelicale; punto c, sotto - un tubo ramificato - un prototipo di vasi per il trapianto. Punto d - costruzione del tessuto cardiaco in contrazione. A sinistra c'è un reticolo (6 per 6) di sferoidi con cellule muscolari cardiache (senza endotelio), stampate su “biocarta” di collagene. Se si aggiungono cellule endoteliali allo stesso “inchiostro” (la seconda immagine è in rosso, i cardiomiociti qui sono mostrati in verde), prima riempiono lo spazio tra gli sferoidi e dopo 70 ore (punto d, a destra) l’intero tessuto diventa un tutto unico. In basso: grafico della contrazione cellulare del tessuto risultante. Come si può vedere, l'ampiezza (misurata verticalmente) delle contrazioni è di circa 2 micron, e il periodo è di circa due secondi (tempo segnato orizzontalmente) (foto e illustrazioni di Forgacs et al).

La Figura 8 mostra anche la struttura del tessuto cardiaco stampato (foto di Forgacs et al).

I primi campioni di una biostampante 3D di Organovo e Invetech saranno disponibili per la ricerca e le organizzazioni mediche nel 2011.

Va notato che Organovo non è l'unico attore in questo mercato. Qualche tempo fa, la società occidentale di biotecnologia Tengion ha presentato la sua tecnologia per la ricostruzione degli organi. Ci sono alcune differenze tra gli approcci Tengion e Organovo. Ad esempio, le due tecnologie hanno approcci diversi nell’organizzare le cellule viventi in gruppi per creare tessuti; inoltre, le stampanti delle aziende hanno approcci diversi al problema dell’ottenimento di campioni e dell’analisi genetica. Entrambe le società notano di dover affrontare le stesse difficoltà: è piuttosto difficile riprodurre tessuti complessi ed entrambe le stampanti impiegano molto tempo per configurarsi per un tipo di stampa 3D. Inoltre, progettare la stampante stessa è solo una parte del compito. È inoltre necessario creare un software speciale che aiuti a simulare il tessuto prima della stampa e a riconfigurare rapidamente la stampante. La stampante stessa dovrebbe essere in grado di creare l’organo più complesso in poche ore. I capillari sottili dovrebbero essere nutriti il ​​​​prima possibile nutrienti, altrimenti l'organo morirà. Tuttavia, entrambe le società hanno lo stesso obiettivo finale- “impronta” di organi umani.

Inizialmente l'attrezzatura verrà utilizzata per scopi di ricerca. Ad esempio, è possibile utilizzare frammenti di fegato stampati esperimenti tossicologici. Successivamente, frammenti artificiali di pelle e muscoli, capillari e ossa possono essere utilizzati per trattare lesioni gravi e per chirurgia plastica. Sia Organovo che Tengion concordano sul fatto che le apparecchiature in grado di stampare interi organi in modo rapido ed efficiente appariranno intorno al 2025-2030. L’introduzione del bioprinting ridurrà notevolmente i costi di creazione di nuovi organi. Nuovi organi possono essere utilizzati per sostituire parti obsolete del corpo umano e, di conseguenza, prolungare radicalmente la vita (immortalismo). In futuro, la bioprinting ci consentirà di inventarne di nuovi organi biologici per il miglioramento dell’uomo e degli animali e l’invenzione di esseri viventi artificiali.

Tecnologie di bioprinting.

Questo post riguarda le biostampanti, un'invenzione che aiuterà una persona a far crescere nuovi organi per sostituire quelli usurati dalla vecchiaia e quindi prolungare significativamente la sua vita.

Ho già parlato della tecnologia di bioprinting sviluppata da Gabor Forgacs nella campagna Organovo in uno dei miei post precedenti. Tuttavia, questa non è l’unica tecnologia per creare organi artificiali dalle cellule. Ad essere onesti, ce ne sono altri che vale la pena considerare. Finora sono tutti lontani dall'applicazione di massa, ma il fatto che tale lavoro venga svolto è incoraggiante e ci fa sperare che almeno una linea di organi artificiali avrà successo.

Il primo è lo sviluppo degli scienziati americani Vladimir Mironov da Università di Medicina South Carolina (Medical University of South Carolina) e Thomas Boland della Clemson University. La ricerca è stata avviata per la prima volta dal dottor Boland, che ha avuto l'idea e ha iniziato la ricerca nel suo laboratorio, attirando verso di essa il suo collega.

Insieme, utilizzando una stampante, sono stati in grado di implementare la tecnologia di deposito delle cellule strato dopo strato. Per l'esperimento sono state utilizzate vecchie stampanti Hewlett-Packard: sono stati utilizzati vecchi modelli perché le loro cartucce avevano fori abbastanza grandi da non danneggiare le celle. Le cartucce venivano accuratamente pulite dall'inchiostro e invece dell'inchiostro venivano riempite con massa cellulare. Abbiamo anche dovuto riprogettare leggermente la stampante e creare un software per controllare la temperatura, la resistenza elettrica e la viscosità del “live ink”.

Altri scienziati avevano precedentemente provato ad applicare le cellule su un piano strato per strato, ma questi furono i primi a poterlo fare utilizzando una stampante a getto d'inchiostro.

Gli scienziati non si fermeranno a trascinare le cellule su un aereo.

Per stampare un organo tridimensionale, si propone di utilizzare un gel esotico termoreversibile (o “termoreversibile”), recentemente creato da Anna Gutowska del Pacific Northwest National Laboratory, come adesivo per collegare le cellule.

Questo gel è liquido a 20 gradi Celsius e indurisce a temperature superiori a 32 gradi. E, fortunatamente, non è dannoso per i tessuti biologici.

Durante la stampa, un singolo strato di cellule e strati di gel vengono depositati su un substrato di vetro (vedere Figura 1). Se gli strati sono abbastanza sottili, le cellule crescono insieme. Il gel non interferisce con la fusione cellulare e allo stesso tempo conferisce forza alla struttura finché le cellule non crescono insieme. Dopodiché il gel può essere facilmente rimosso con acqua.

Il team ha già condotto diversi esperimenti utilizzando materiali facilmente disponibili colture cellulari, un tipo di cellula ovarica di criceto.

Secondo gli autori, la stampa tridimensionale può risolvere il problema della creazione di nuovi organi per la medicina in sostituzione di quelli danneggiati o della crescita di organi per esperimenti biologici. Molto probabilmente, la tecnologia per far crescere vaste aree di pelle per curare le persone colpite da ustioni sarà la prima ad essere utilizzata su larga scala. Poiché le cellule iniziali per la coltura dell'“inchiostro vivo” verranno prelevate dal paziente stesso, non dovrebbero esserci problemi di rigetto.

Tieni inoltre presente che la coltivazione tradizionale degli organi può richiedere diverse settimane, quindi il paziente potrebbe non aspettare l'organo desiderato. Quando viene trapiantato un organo da un'altra persona, di solito solo una persona su dieci riesce ad aspettare il proprio turno per ricevere l'organo; il resto muore. Ma la tecnologia del bioprinting, con un numero sufficiente di cellule, può richiedere solo poche ore per costruire un organo.

Durante la stampa dovranno essere affrontati problemi come l’alimentazione dell’organo artificiale. Ovviamente, la stampante deve stampare un organo con tutti i vasi e i capillari, attraverso i quali dovrebbero essere fornite le sostanze nutritive durante il processo di stampa (tuttavia, come hanno dimostrato gli esperimenti di Gabor Forgacs, almeno alcuni organi sono in grado di formare capillari da soli) . Inoltre, l'organo dovrebbe essere stampato in non più di poche ore, pertanto, per aumentare la forza degli attacchi cellulari, si propone di aggiungere proteine ​​di collagene alla soluzione di legame.

Secondo gli scienziati, le biostampanti appariranno nelle cliniche entro pochi anni. Le prospettive che si aprono sono enormi.

Per la stampa utilizzando questa tecnologia organo complesso costituiti da un gran numero di celle, sono necessarie cartucce con un'ampia varietà di inchiostri. Tuttavia, il dottor Phil Campbell e i suoi colleghi della Carnegie Mellon University in America, in particolare il professore di robotica Lee Weiss - che stanno anche sperimentando la bioprinting - hanno escogitato un modo per ridurre il numero di tipi di inchiostro senza danneggiare l'organo risultante.

Per fare ciò, ha proposto di utilizzare una soluzione contenente il fattore di crescita BMP-2 come uno dei biofiori. Come altro biocolore, sono state utilizzate cellule staminali ottenute dai muscoli delle gambe dei topi.

Successivamente, la stampante ha stampato sul vetro quattro quadrati con lati di 750 micrometri: in ciascuno di essi la concentrazione dell'ormone della crescita era diversa. Le cellule staminali che si trovavano in aree con fattori di crescita iniziarono a trasformarsi in cellule tessuto osseo. E maggiore è la concentrazione di BMP-2, maggiore è la “resa” di cellule differenziate. Le cellule staminali che finivano in aree pulite si trasformavano in cellule muscolari, a partire da questo percorso di sviluppo cellula staminale seleziona per impostazione predefinita.

Precedentemente cellule vari tipi sono stati coltivati ​​separatamente. Ma, secondo lo scienziato, la crescita congiunta delle cellule rende questa tecnica più vicina al naturale. "È possibile creare una struttura di impalcatura in cui un'estremità sviluppa l'osso, un'altra estremità sviluppa i tendini e l'altra estremità sviluppa i muscoli. Ciò offre un maggiore controllo sulla rigenerazione dei tessuti", afferma l'autore del lavoro. E verranno utilizzati solo due tipi di inchiostro, il che semplifica la progettazione della biostampante.

Anche gli scienziati russi si sono interessati al problema dei cambiamenti controllati nelle strutture cellulari. "Oggi ci sono molti sviluppi legati alla coltivazione di tessuti a partire da cellule staminali", commenta lo scienziato Nikolai Adreanov. -- I migliori risultati gli scienziati sono riusciti a crescere tessuto epiteliale, poiché le sue cellule si dividono molto rapidamente. E ora i ricercatori stanno cercando di utilizzare le cellule staminali per creare fibre nervose, le cui cellule in condizioni naturali si stanno riprendendo molto lentamente."

Inoltre, secondo Lee Weiss, che ha sviluppato la stampante, la loro tecnologia è ancora lontana dall’implementazione industriale. Inoltre, ampliare le conoscenze sulla biologia non sarebbe dannoso. "Posso stampare alcune cose piuttosto complesse. Ma probabilmente uno dei maggiori fattori limitanti (per questa tecnologia) è la comprensione della biologia. Devi sapere esattamente cosa stampare." Alexander Revishchin, candidato in scienze biologiche, ricercatore senior presso l'Istituto di biologia dello sviluppo dell'Accademia delle scienze russa, sottolinea un altro problema. “In linea di principio, stampare i tessuti con “inchiostro cellulare” è possibile, ma la tecnologia è ancora imperfetta – ha osservato – Ad esempio, se le cellule staminali vengono trapiantate in condizioni insolite, queste cellule perderanno il filo dello sviluppo naturale e della comunicazione con cellule circostanti, che possono portare alla loro degenerazione in un tumore." organo biostampante di cellule staminali

Ma speriamo che la tecnologia venga sviluppata nei prossimi anni.

Gli scienziati hanno creato per la prima volta una chimera di maiale umano: un articolo che descrive questo esperimento è stato pubblicato il 26 gennaio sulla rivista scientifica Cell. Un team internazionale di scienziati guidato da Juan Carlos Izpisua Belmonte, professore presso il Salk Institute for Biological Studies (USA), ha coltivato embrioni contenenti cellule staminali umane nei maiali per 28 giorni. Dei duemila embrioni ibridi, 186 si sono sviluppati in organismi in cui parte umana era uno ogni diecimila cellule.

Le chimere sono organismi che prendono il nome dal mostro da Miti greci, che unisce una capra, un leone e un serpente, si ottengono combinando il materiale genetico di due animali, ma senza ricombinazione del DNA (cioè lo scambio di informazioni genetiche che avviene quando viene concepito un bambino). Di conseguenza, le chimere hanno due serie di cellule geneticamente diverse, ma funzionano come intero organo modifica. Nell'esperimento di cui scrive Cell, gli scienziati hanno rimosso embrioni da una scrofa gravida e li hanno infusi con cellule staminali umane indotte, dopo di che gli embrioni sono stati rimandati a svilupparsi nel corpo del maiale. Alle chimere non è stato permesso di nascere: se ne sono già sbarazzate fase iniziale gravidanza femminile.

Perché gli scienziati hanno bisogno di organismi ibridi?

Nicchia per gli organi

Uno degli obiettivi principali dell'esperimento è far crescere organi umani nei corpi degli animali. Alcuni pazienti aspettano anni in fila per un trapianto e la creazione di materiale biologico in questo modo potrebbe salvare migliaia di vite. “Siamo ancora lontani da questo, ma il primo e importante passo è stato fatto”, afferma Izpisua Belmonte. Un organo umano coltivato in una chimera dalle cellule del paziente risolverebbe il problema del rigetto del trapianto da parte del corpo del paziente, poiché verrebbe coltivato dalle sue stesse cellule.
Gli scienziati svilupperanno organi umani nel corpo di un animale utilizzando l'editing genetico (vale a dire in modo innovativo CRISPR-Cas9). Inizialmente, il DNA dell'embrione animale verrà modificato in modo che non si sviluppi un organo necessario, come il cuore o il fegato. Questa “nicchia” sarà riempita dalle cellule staminali umane.

Gli esperimenti dimostrano che quasi tutti gli organi possono essere creati in una chimera, anche quelli che non sono previsti per un animale da esperimento. Un altro esperimento dello stesso gruppo di scienziati ha dimostrato che l’iniezione di cellule staminali di ratto nel corpo del topo consente loro di far crescere una cistifellea, sebbene i topi non abbiano questo organo evolutivamente.

Nel 2010, gli scienziati giapponesi hanno creato un pancreas di ratto allo stesso modo. Il team di Izpisua Belmonte è riuscito a far crescere il cuore e gli occhi di un topo nel corpo di un topo. Il 25 gennaio, uno dei suoi colleghi ha riferito in un articolo sulla rivista Nature che il suo gruppo è riuscito a condurre l'esperimento inverso: far crescere un pancreas di topo in un ratto e trapiantarlo con successo. L'organo ha funzionato correttamente per più di un anno.

Una condizione importante per il successo degli esperimenti con le chimere è rapporto corretto la dimensione degli organismi collegati. Ad esempio, gli scienziati avevano precedentemente tentato di creare chimere di maiali e ratti, ma l'esperimento non ebbe successo. Molto più compatibili sono le persone, le mucche e i maiali. Il team di Izpisua Belmonte ha scelto di utilizzare i maiali per creare la chimera umana semplicemente perché sono più economici da usare rispetto alle mucche.

Ibridi tra noi

La storia ha già conosciuto casi di trapianto di alcune parti del corpo da animali, compresi i maiali, a persone. Nel 19° secolo, il medico americano Richard Kissam trapiantò con successo la cornea di un maiale di sei mesi in un giovane. Ma la creazione a tutti gli effetti delle chimere iniziò negli anni '60, quando la scienziata americana Beatrice Mintz ottenne il primo organismo ibrido in laboratorio combinando le cellule di due diverse specie di topi: bianchi e neri. Poco dopo, un'altra scienziata francese, Nicole le Doirin, collegò gli strati germinali di un embrione di pollo e di quaglia e nel 1973 pubblicò un articolo sullo sviluppo di un organismo ibrido. Nel 1988, Irving Weisman dell'Università di Stanford creò un topo con un sistema immunitario umano (per la ricerca sull'AIDS) e successivamente impiantò cellule staminali umane nel cervello dei topi per la ricerca neurobiologica. Nel 2012 sono nate le prime chimere primati: in Centro Nazionale In uno studio sui primati condotto in Oregon, gli scienziati hanno creato macachi contenenti sei diversi DNA.

Inoltre, la storia conosce già casi di persone-chimere, sebbene la società non le chiami tali, e loro stesse potrebbero non esserne consapevoli. Nel 2002, Karen Keegan, residente a Boston, morì test genetico per determinare se può ricevere un rene da uno dei suoi parenti. I test hanno dimostrato l’impossibile: il DNA della paziente non corrispondeva al DNA dei suoi figli biologici. Si è scoperto che Keegan aveva un chimerismo congenito, che si sviluppa nell'embrione a causa di un malfunzionamento nel processo di fecondazione: il suo corpo conteneva due set genetici, uno nelle cellule del sangue, l'altro nelle cellule dei tessuti del suo corpo.

Formalmente, una persona che ha ricevuto un trapianto straniero può anche essere definita una chimera. Midollo osseo, - ad esempio, nel trattamento della leucemia. In alcuni casi, nel sangue di un paziente di questo tipo si possono trovare cellule sia con il suo DNA originale che con il DNA del donatore. Un altro esempio è il cosiddetto microchimerismo. Nel corpo di una donna incinta si può osservare il movimento delle cellule staminali fetali che trasportano il suo genoma negli organi della futura mamma: reni, fegato, polmoni, cuore e persino cervello. Gli scienziati suggeriscono che ciò può accadere in quasi ogni gravidanza e che tali cellule possono rimanere in un posto nuovo per tutta la vita di una donna.

Ma in tutti questi casi le chimere sono formate (naturalmente o meno) da due persone. Un'altra cosa è la combinazione di una persona e un animale. Trapiantare tessuti da animali a esseri umani può renderli vulnerabili a nuove malattie, ecco perché il nostro il sistema immunitario non pronto. Molti sono anche spaventati dalla possibilità di dotare gli animali di qualità umane, addirittura elevando il livello di coscienza. Gli scienziati stanno cercando di assicurare al pubblico e alle autorità che tali esperimenti saranno rigorosamente controllati dai laboratori e utilizzati solo a fin di bene. Il National Institutes of Health (NIH) degli Stati Uniti non ha mai finanziato tali progetti, citando la loro non etica. Ma nell’agosto 2016, i funzionari dell’NIH hanno affermato che avrebbero potuto riconsiderare la moratoria (una decisione non è stata ancora presa).

A differenza del NIH, l’esercito americano finanzia generosamente tali esperimenti. Secondo il cardiologo Daniel Garry dell'Università del Minnesota, il suo progetto chimera, che prevedeva l'allevamento di un maiale con il cuore di un altro maiale, ha recentemente ricevuto una sovvenzione militare di 1,4 milioni di dollari per sperimentare la crescita di un cuore umano in un maiale.

Prima di iniziare a discutere l'argomento dell'articolo, voglio fare piccola escursione, che è il corpo umano. Questo ti aiuterà a capire quanto sia importante il lavoro di qualsiasi collegamento in un sistema complesso. corpo umano, cosa può accadere in caso di guasto e come la medicina moderna cerca di risolvere i problemi se un organo fallisce.

Il corpo umano come sistema biologico

Il corpo umano è un sistema biologico complesso che ha una struttura speciale ed è dotato di funzioni specifiche. All'interno di questo sistema ci sono diversi livelli di organizzazione. L'integrazione più alta è il livello organismico. Ulteriormente discendenti sono i livelli di organizzazione sistemica, organica, tissutale, cellulare e molecolare. Dipende dal lavoro coordinato di tutti i livelli del sistema lavoro armonioso l'intero corpo umano.
Se qualche organo o sistema di organi non funziona correttamente, le violazioni influiscono maggiormente livelli più bassi organizzazioni come tessuti e cellule.

Livello molecolare– questo è il primo mattone. Come suggerisce il nome, l’intero corpo umano, come tutti gli esseri viventi, è costituito da innumerevoli molecole.

Il livello cellulare può essere immaginato come la diversa composizione dei componenti delle molecole che formano cellule diverse.

Le cellule unite in tessuti di diversa morfologia e funzionamento formano il livello dei tessuti.

Gli organi umani contengono una varietà di tessuti. Garantiscono il normale funzionamento di qualsiasi organo. Questo è il livello di organizzazione degli organi.

Livello successivo organizzazione - sistemica. Alcuni organi anatomicamente uniti svolgono una funzione più complessa. Per esempio, apparato digerente, consiste in vari organi, garantisce la digestione del cibo che entra nel corpo, l'assorbimento dei prodotti digestivi e la rimozione dei residui non utilizzati.
E il livello più alto di organizzazione è il livello organismico. Tutti i sistemi e sottosistemi del corpo funzionano come se fossero ben sintonizzati strumento musicale. Il lavoro coordinato di tutti i livelli si ottiene grazie al meccanismo di autoregolamentazione, ad es. supporto ad un certo livello di vari indicatori biologici. Al minimo squilibrio nel funzionamento di qualsiasi livello, il corpo umano inizia a funzionare in modo intermittente.

Cosa sono le cellule staminali?

Il termine “cellule staminali” è stato introdotto nella scienza dall’istologo russo A. Maksimov nel 1908. Le cellule staminali (SC) sono cellule non specializzate. Sono ancora considerate cellule immature. Sono presenti in quasi tutti gli organismi multicellulari, compreso l'uomo. Le cellule si riproducono dividendosi. Sono in grado di trasformarsi in cellule specializzate, cioè da essi possono formarsi vari tessuti e organi.

Più un gran numero di KS nei neonati e nei bambini; nell'adolescenza, il numero di cellule staminali nel corpo diminuisce di 10 volte e età matura- 50 volte! Una diminuzione significativa del numero di SC durante l'invecchiamento, nonché malattie gravi riduce la capacità del corpo di guarire se stesso. Ciò porta a una conclusione spiacevole: l'attività vitale di molti sistemi importanti gli organi diminuiscono.

Cellule staminali e futuro della medicina

Gli scienziati medici prestano da tempo attenzione alla plasticità delle SC e alla possibilità teorica di far crescere da esse vari tessuti e organi del corpo umano. Il lavoro sullo studio delle proprietà della SC è iniziato nella seconda metà del secolo scorso. Come sempre, i primi studi sono stati condotti su animali da laboratorio. All'inizio di questo secolo, iniziarono i tentativi di utilizzare le SC per la coltivazione di tessuti e organi umani. Vorrei raccontarvi i risultati più interessanti in questa direzione.

Gli scienziati giapponesi nel 2004 sono riusciti a far crescere le cellule capillari in condizioni di laboratorio. vasi sanguigni da SK.

L'anno successivo, i ricercatori americani della Florida State University riuscirono a far crescere cellule cerebrali dalle SC. Gli scienziati hanno affermato che tali cellule possono essere impiantate nel cervello e potrebbero essere utilizzate per trattare malattie come il Parkinson e l'Alzheimer.

Nel 2006, alcuni scienziati svizzeri dell’Università di Zurigo hanno sviluppato valvole cardiache umane nel loro laboratorio. Per questo esperimento sono state utilizzate SC provenienti dal liquido amniotico. Il dottor S. Hoerstrap ritiene che la tecnica potrebbe essere utilizzata per far crescere valvole cardiache per un feto che presenta difetti cardiaci. Dopo la nascita, il bambino può ricevere nuove valvole cresciute dalle cellule staminali del liquido amniotico.

Nello stesso anno, i medici americani fecero crescere un intero organo in laboratorio. vescia. Le SC sono state prelevate dalla persona per la quale questo organo è stato coltivato. Il dottor E. Atala, direttore dell'Istituto di medicina rigenerativa, ha affermato che all'interno vengono inserite cellule e sostanze speciali forma speciale, che rimane nell'incubatrice per diverse settimane. Successivamente, l'organo finito viene trapiantato nel paziente. Tali operazioni vengono ora eseguite normalmente.

Nel 2007, in un simposio medico internazionale a Yokahama, gli specialisti giapponesi dell'Università di Tokyo hanno presentato un rapporto su uno straordinario esperimento scientifico. Da una singola cellula staminale prelevata dalla cornea e posta in un mezzo nutritivo, è stato possibile far crescere una nuova cornea. Gli scienziati intendevano avviare studi clinici e utilizzare ulteriormente questa tecnologia nel trattamento degli occhi.

I giapponesi sono i leader nella coltivazione di un dente da una singola cellula. La SC è stata trapiantata su un'impalcatura di collagene e l'esperimento è iniziato. Dopo la crescita, il dente sembrava naturale e aveva tutti i suoi componenti, tra cui dentina, vasi sanguigni, smalto, ecc. Il dente è stato trapiantato in un topo da laboratorio, ha messo radici e ha funzionato normalmente. Gli scienziati giapponesi vedono grandi prospettive nell'utilizzo di questo metodo facendo crescere un dente da un SC e poi trapiantando la cellula nel suo proprietario.

I medici giapponesi dell'Università di Kyoto sono riusciti a ottenere tessuto renale e surrenale e un frammento di tubulo renale dalle SC.

Ogni anno milioni di persone nel mondo muoiono per malattie del cuore, del cervello, dei reni, del fegato, distrofia muscolare eccetera. Le cellule staminali possono aiutare a curarli. Tuttavia, c’è un punto che può rallentare l’utilizzo delle cellule staminali pratica medicaè la mancanza di internazionalità Quadro legislativo: da dove può essere prelevato il materiale, per quanto tempo può essere conservato, come devono interagire il paziente e il suo medico quando utilizzano SC.

Probabilmente, la conduzione di esperimenti medici e lo sviluppo di tale legge dovrebbero procedere parallelamente.

) la tecnologia non viene utilizzata sugli esseri umani, ma in questo settore sono in corso uno sviluppo e una sperimentazione attivi. Secondo il direttore del Centro scientifico federale per i trapianti e gli organi artificiali intitolato a Shumakov, il professor Sergei Gauthier, gli organi in crescita saranno disponibili tra 10-15 anni.

Situazione

L'idea di coltivare artificialmente organi umani non ha lasciato gli scienziati per più di mezzo secolo, da quando gli organi dei donatori hanno iniziato a essere trapiantati nelle persone. Anche se è possibile trapiantare la maggior parte degli organi sui pazienti, la questione della donazione è attualmente molto urgente. Molti pazienti muoiono senza ricevere il loro organo. Coltivazione artificiale gli organi possono salvare milioni di vite umane. Alcuni progressi in questa direzione sono già stati ottenuti utilizzando metodi di medicina rigenerativa.

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Appunti

Fondazione Wikimedia. 2010.

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