Noile tehnologii vor face posibilă creșterea organelor. O tehnică unică de creștere a organelor pentru transplant din celulele proprii ale pacientului va apărea în Rusia

Ritmul postindustrial al dezvoltării umane, și anume știința și tehnologia, este atât de mare încât era imposibil de imaginat acum 100 de ani. Ceea ce înainte putea fi citit doar în ficțiunea științifico-fantastică populară a apărut acum în lumea reală.

Medicina secolului 21 este mai avansată ca niciodată. Bolile care anterior erau considerate mortale sunt acum tratate cu succes. Cu toate acestea, problemele oncologiei, SIDA și multe alte boli nu au fost încă rezolvate. Din fericire, în viitorul apropiat va exista o soluție la aceste probleme, dintre care una va fi cultivarea organelor umane.

Fundamentele bioingineriei

Știința, care folosește baza informațională a biologiei și folosește metode analitice și sintetice pentru a-și rezolva problemele, a apărut nu cu mult timp în urmă. Spre deosebire de ingineria convențională, care folosește științe tehnice, mai ales matematică și fizică, pentru activitățile sale, bioingineria merge mai departe și folosește metode inovatoare sub forma biologiei moleculare.

Una dintre sarcinile principale ale sferei științifice și tehnice nou create este cultivarea organelor artificiale în conditii de laboratorîn scopul transplantării ulterioare în corpul unui pacient al cărui organ a cedat din cauza deteriorării sau uzurii. Bazându-se pe structurile celulare tridimensionale, oamenii de știință au reușit să facă progrese în studierea efectelor diferitelor boli și viruși asupra activității. organe umane.

Din păcate, acestea nu sunt încă organe cu drepturi depline, ci doar organoide - rudimente, o colecție neterminată de celule și țesuturi care pot fi folosite doar ca mostre experimentale. Performanța și viabilitatea lor sunt testate pe animale de experiment, în principal pe diferite rozătoare.

Referință istorică. Transplantologie

Creșterea bioingineriei ca știință a fost precedată de o lungă perioadă de dezvoltare a biologiei și a altor științe, al căror scop a fost studiul corpul uman. La începutul secolului al XX-lea, transplantologia a primit un impuls pentru dezvoltarea sa, a cărei sarcină era să studieze posibilitatea transplantului unui organ donator către o altă persoană. Crearea tehnicilor capabile să conserve organele donatoare pentru o perioadă de timp, precum și disponibilitatea experienței și a planurilor detaliate pentru transplant, a permis chirurgilor din întreaga lume să transplanteze cu succes organe precum inima, plămânii și rinichii la sfârșitul anilor 60. .

Pe acest moment Principiul transplantului este cel mai eficient dacă pacientul este în pericol pericol mortal. Problema principală este lipsă acută organe donatoare. Pacienții își pot aștepta rândul ani de zile fără să-l primească. În plus, există Risc ridicat faptul că organul donator transplantat poate să nu prindă rădăcini în corpul primitorului, deoarece sistemul imunitar al pacientului îl va considera ca obiect străin. În confruntare acest fenomen Au fost inventate imunosupresoare, care, totuși, au mai multe șanse să schilodă decât să vindece - imunitatea umană este slăbită catastrofal.

Avantajele creației artificiale față de transplant

Una dintre principalele diferențe competitive între metoda de creștere a organelor și transplantul lor de la un donator este că, în condiții de laborator, organele pot fi produse pe baza țesuturilor și celulelor viitorului primitor. Practic, se folosesc celule stem care au capacitatea de a se diferenția în celule ale anumitor țesuturi. Omul de știință este capabil să controleze acest proces din exterior, ceea ce reduce semnificativ riscul de respingere a organelor viitoare de către sistemul imunitar uman.

În plus, folosind metoda creșterii artificiale a organelor, este posibil să se producă un număr nelimitat dintre ele, satisfacând astfel nevoile vitale a milioane de oameni. Principiul producției în masă va reduce semnificativ prețul organelor, salvând milioane de vieți și crește semnificativ supraviețuirea umană și amânând data acesteia. moartea biologică.

Progrese în bioinginerie

Astăzi, oamenii de știință sunt capabili să crească rudimentele viitoarelor organe - organoizi, pe care testează diferite boli, viruși și infecții pentru a urmări procesul de infecție și a dezvolta tactici de contracarare. Succesul funcționării organoidelor este testat prin transplantarea lor în corpurile animalelor: iepuri, șoareci.

De asemenea, este de remarcat faptul că bioingineria a obținut anumite succese în crearea de țesuturi cu drepturi depline și chiar în creșterea organelor din celule stem, care, din păcate, nu pot fi încă transplantate la om din cauza inoperabilității lor. Cu toate acestea, în acest moment, oamenii de știință au învățat să creeze artificial cartilaj, vase de sânge și alte elemente de legătură.

Piele și oase

Nu cu mult timp în urmă, oamenii de știință de la Universitatea Columbia au reușit să creeze un fragment osos cu o structură asemănătoare unei articulații. maxilarul inferior legând-o de baza craniului. Fragmentul a fost obținut prin utilizarea celulelor stem, ca în organele în creștere. Puțin mai târziu, compania israeliană Bonus BioGroup a reușit să inventeze o nouă metodă de recreare a osului uman, care a fost testată cu succes pe o rozătoare - osul crescut artificial a fost transplantat într-una dintre labe. În acest caz, au fost folosite din nou celule stem, doar că acestea au fost obținute din țesutul adipos al pacientului și ulterior plasate pe o schelă osoasă asemănătoare gelului.

Din anii 2000, medicii folosesc hidrogeluri specializate și metode de regenerare naturală a pielii deteriorate pentru a trata arsurile. Tehnicile experimentale moderne fac posibilă vindecarea arsurilor severe în câteva zile. Așa-numitul Skin Gun pulverizează un amestec special de celule stem ale pacientului pe suprafața deteriorată. Există, de asemenea, progrese majore în crearea pielii funcționale stabile cu vase de sânge și limfatice.

Recent, oamenii de știință din Michigan au reușit să crească o parte din tesut muscular, care, însă, este de două ori mai slab decât originalul. În mod similar, oamenii de știință din Ohio au creat țesuturi stomacale tridimensionale care au fost capabile să producă toate enzimele necesare digestiei.

Oamenii de știință japonezi au reușit aproape imposibil - au crescut un ochi uman pe deplin funcțional. Problema cu transplantul este aceea de a atașa nervul optic ochii la creier nu este încă posibil. În Texas, plămânii au fost cultivați și artificial într-un bioreactor, dar fără vase de sânge, ceea ce pune la îndoială funcționalitatea lor.

Perspective de dezvoltare

Nu va trece mult până la momentul din istorie când majoritatea organelor și țesuturilor create în condiții artificiale vor putea fi transplantate la oameni. Deja, oamenii de știință din întreaga lume au dezvoltat proiecte și mostre experimentale, dintre care unele nu sunt inferioare originalelor. Piele, dinți, oase, totul organe interne după ceva timp se va putea crea în laboratoare și vinde persoanelor aflate în nevoie.

Noile tehnologii accelerează, de asemenea, dezvoltarea bioingineriei. Imprimarea 3D, care a devenit larg răspândită în multe domenii ale vieții umane, va fi, de asemenea, utilă în creșterea de noi organe. Bioprinterele 3D au fost deja folosite experimental din 2006, iar în viitor vor putea crea modele tridimensionale funcționale ale organelor biologice prin transferul culturilor celulare pe un substrat biocompatibil.

Concluzie generală

Bioingineria ca știință, al cărei scop este creșterea țesuturilor și a organelor pentru transplantul ulterioar, a apărut nu cu mult timp în urmă. Ritmul rapid cu care marșează pe calea progresului este caracterizat de realizări semnificative care vor salva milioane de vieți în viitor.

Oasele și organele interne crescute din celule stem vor elimina nevoia de organe donatoare, a cărui cantitate este deja în stare de deficit. Oamenii de știință au deja multe dezvoltări, ale căror rezultate nu sunt încă foarte productive, dar au un potențial enorm.

O bioimprimantă este o variație biologică a tehnologiei reprap, un dispozitiv capabil să creeze orice organ din celule, depunând celule strat cu strat, a fost deja creat. În decembrie 2009, compania americană Organovo și compania australiană Invetech au dezvoltat o bioimprimantă concepută pentru producția industrială la scară mică. În loc să creșteți organul dorit într-o eprubetă, este mult mai ușor să îl imprimați - așa cred dezvoltatorii conceptului.

Dezvoltarea tehnologiei a început cu câțiva ani în urmă. Cercetătorii de la mai multe institute și universități lucrează în continuare la această tehnologie. Dar profesorul Gabor Forgacs și personalul laboratorului său Forgacslab de la Universitatea din Missouri, ca parte a proiectului Organ Printing, care a dezvăluit noi subtilități ale bioprintingului încă din 2007, au avut mai mult succes în acest domeniu. Pentru a-și comercializa dezvoltările, profesorul și colaboratorii au fondat campania Organovo. Campania a creat tehnologia NovoGen, care a inclus toate detaliile necesare de bioprintare, atât în ​​partea biologică, cât și în partea hardware.

Au fost dezvoltate un sistem de calibrare cu laser și un sistem de poziționare a capului robotizat cu o precizie de câțiva micrometri. Acest lucru este foarte important pentru plasarea celulelor în poziția corectă. Primele imprimante experimentale pentru Organovo (și conform „schițelor”) au fost construite de nScrypt (Figura 2). Dar acele dispozitive nu erau încă adaptate pentru utilizare practică și au fost folosite pentru a șlefui tehnologia.

În mai 2009, campania Organovo a ales ca partener industrial compania medicală Invetech. Această companie are o experiență de peste 30 de ani în producția de laborator și Echipament medical, inclusiv cele computerizate. La începutul lunii decembrie, prima copie a unei bioimprimante 3D care încorporează tehnologia NovoGen a fost expediată de la Invetech la Organovo. Noul produs se distinge prin dimensiunea compactă, interfața intuitivă a computerului, gradul ridicat de integrare a componentelor și fiabilitatea ridicată. În viitorul apropiat, Invetech intenționează să furnizeze mai multe dispozitive identice pentru Organovo și deja va distribui noul produs comunității științifice. Dispozitiv nou are dimensiuni atât de modeste încât poate fi plasat într-un dulap biologic, ceea ce este necesar pentru a asigura un mediu steril în timpul procesului de imprimare

Trebuie spus că bioprintarea nu este singura modalitate de a crea organe artificial. In orice caz, mod clasic cultivarea presupune, în primul rând, realizarea unui cadru care să definească forma viitorului organ. În același timp, cadrul în sine prezintă pericolul de a deveni inițiatorul inflamației organului.

Avantajul unei bioimprimante este că nu necesită un astfel de cadru. Forma organului este determinată de dispozitivul de imprimare însuși, aranjand celulele în ordinea necesară. Bioimprimanta în sine are două capete umplute cu două tipuri de cerneală. Primul folosește celule ca cerneală tipuri variate, iar în al doilea - materiale auxiliare (hidrogel de susținere, colagen, factori de creștere). Imprimanta poate avea mai mult de două „culori” - dacă trebuie să o utilizați celule diferite sau materiale auxiliare de diverse tipuri.

O caracteristică specială a tehnologiei NovoGen este că imprimarea nu este efectuată de celule individuale. Imprimanta depune imediat un conglomerat de câteva zeci de mii de celule. Aceasta este principala diferență dintre tehnologia NovoGen și alte tehnologii de bioprintare.

Diagrama de funcționare a imprimantei este prezentată în Figura 4.

Deci, mai întâi sunt crescute țesuturile necesare. Țesutul crescut este apoi tăiat în cilindri într-un raport diametru/lungime de 1:1 (punctul a). Următorul - punctul b - acești cilindri sunt plasați temporar într-o specială mediu nutritiv, unde iau forma unor bile mici. Diametrul unei astfel de mingi este de 500 de micrometri (o jumătate de milimetru). Culoarea portocalie a țesăturii este realizată folosind o vopsea specială. Apoi, margelele sunt încărcate într-un cartuş (punctul c) -- care conţine pipete care sunt umplute cu margele într-o ordine una câte una. Bioimprimanta tridimensională în sine (punctul d) trebuie să depună aceste sferoide cu precizie micrometrică (adică eroarea trebuie să fie mai mică de o miime de milimetru). Imprimanta este echipată și cu camere care pot monitoriza procesul de imprimare în timp real.

Imprimanta eșantion creată funcționează cu trei „culori” simultan - două tipuri de celule (în ultimele experimente ale lui Forgach acestea au fost celule musculare cardiace și celule epiteliale) - iar al treilea este un amestec care include un gel de fixare care conține colagen, factor de creștere și o serie de alte substanțe. Acest amestec permite organului să-și mențină forma înainte ca celulele să crească împreună (punctul d).

Potrivit lui Gabor, imprimanta nu reproduce exact structura organului. Cu toate acestea, acest lucru nu este necesar. Programul natural al celulelor în sine corectează structura organului.

Diagrama ansamblării organului și fuziunea bilelor în orgă este prezentată în figura 5.

În timpul experimentelor, o bioimprimantă a imprimat o „inimă” din celulele endoteliale și celulele musculare cardiace de pui (Figura 6). După 70 de ore, bilele au crescut împreună într-un singur sistem, iar după 90 de ore, „inima” a început să se contracte. Mai mult, celulele endoteliale au format structuri asemănătoare cu capilarele. De asemenea celule musculare, care inițial s-a contractat haotic, în timp s-a sincronizat independent și a început să se contracte simultan. Cu toate acestea, acest prototip de inimă nu este încă potrivit pentru utilizare practică - chiar dacă celulele umane sunt folosite în locul celulelor de pui - tehnologia de bioprintare trebuie îmbunătățită în continuare.

O imprimantă mult mai bună face o treabă mai bună de a crea mai multe organe simple-- de exemplu, bucăți de piele umană sau vase de sânge. La imprimarea vaselor de sânge, lipiciul de colagen este aplicat nu numai pe marginile vasului, ci și pe mijloc. Și apoi, când celulele cresc împreună, lipiciul este ușor îndepărtat. Pereții vasului sunt formați din trei straturi de celule - endoteliu, mușchi netezi și fibroblaste. Dar cercetările au arătat că doar un strat format dintr-un amestec al acestor celule poate fi reprodus prin imprimare - celulele în sine migrează și se aliniază în trei straturi omogene. Acest fapt poate facilita procesul de imprimare a multor organe. Astfel, echipa Forgacs poate crea deja vase foarte subțiri și ramificate de orice formă. Cercetătorii lucrează acum pentru a construi un strat de mușchi pe vase, care va face vasele potrivite pentru implantare. De interes deosebit sunt vasele cu grosimea mai mică de 6 milimetri, deoarece există materiale sintetice adecvate pentru cele mai mari.

O ilustrare cu alte experimente de bioprintare este în Figura 7.

Punctul a este un inel de două tipuri de cerneală biologică. Sunt vopsite special cu diferite substanțe fluorescente. Mai jos este același inel după 60 de ore. Celulele cresc împreună de la sine. Punctul b este dezvoltarea unui tub realizat din inelele prezentate în imagine. Punctul c de mai sus este un tub cu 12 straturi compus din celule musculare netede din cordonul ombilical; punctul c, dedesubt - un tub ramificat - un prototip de vase pentru transplant. Punctul d - construcția țesutului cardiac contractant. În stânga este o rețea (6 pe 6) de sferoizi cu celule musculare cardiace (fără endoteliu), imprimată pe „biohârtie” de colagen. Dacă celulele endoteliale sunt adăugate la aceeași „cerneală” (a doua imagine este în roșu, cardiomiocitele sunt afișate aici cu verde), ele umplu mai întâi spațiul dintre sferoizi și după 70 de ore (punctul d, dreapta) întreg țesutul devine un singur întreg. De jos: graficul contracției celulare a țesutului rezultat. După cum se poate observa, amplitudinea (măsurată vertical) a contracțiilor este de aproximativ 2 microni, iar perioada este de aproximativ două secunde (timpul marcat orizontal) (fotografii și ilustrații de Forgacs și colab).

Figura 8 prezintă, de asemenea, structura țesutului cardiac imprimat (fotografii de Forgacs și colab).

Primele mostre ale unei bioimprimante 3D de la Organovo și Invetech vor fi disponibile pentru organizațiile de cercetare și medicale în 2011.

De menționat că Organovo nu este singurul jucător de pe această piață. Cu ceva timp în urmă, compania de biotehnologie occidentală Tengion și-a prezentat tehnologia de recreare a organelor. Există unele diferențe între abordările Tengion și Organovo. De exemplu, cele două tehnologii au abordări diferite în ceea ce privește organizarea celulelor vii în grupuri pentru a crea țesuturi; în plus, imprimantele companiilor au abordări diferite cu privire la problema obținerii de probe și a analizei genelor. Ambele companii observă că se confruntă cu aceleași dificultăți - este destul de dificil să reproduci țesături complexe, iar ambele imprimante necesită mult timp pentru a se configura pentru un tip de imprimare 3D. De asemenea, proiectarea imprimantei în sine este doar o parte a sarcinii. De asemenea, este necesar să se creeze un software special care să ajute la simularea materialului înainte de imprimare și să reconfigureze rapid imprimanta. Imprimanta în sine ar trebui să poată crea cel mai complex organ în câteva ore. Capilarele subțiri trebuie hrănite cât mai curând posibil nutrienți, altfel organul va muri. Cu toate acestea, ambele companii au același lucru obiectivul final- „amprentă” de organe umane.

Inițial, echipamentul va fi folosit în scopuri de cercetare. De exemplu, fragmentele de ficat imprimate pot fi utilizate în experimente toxicologice. Mai târziu, fragmente artificiale de piele și mușchi, capilare, oase pot fi folosite pentru a trata leziuni severe și pentru Chirurgie Plastică. Atât Organovo, cât și Tengion sunt de acord că echipamentele capabile să imprime rapid și eficient organe întregi vor apărea în jurul anului 2025-2030. Introducerea bioprintingului va reduce foarte mult costul creării de noi organe. Noile organe pot fi folosite pentru a înlocui părți învechite ale corpului uman și, ca urmare, pentru a prelungi radical viața (imortalism). În viitor, bioprintarea ne va permite să inventăm noi organe biologice pentru ameliorarea oamenilor și animalelor și inventarea ființelor vii artificiale.

Tehnologii de bioprintare.

Această postare este despre bioimprimante - o invenție care va ajuta o persoană să crească noi organe pentru a le înlocui pe cele uzate de bătrânețe și, astfel, să-și prelungească semnificativ viața.

Am vorbit deja despre tehnologia de bioprintare dezvoltată de Gabor Forgacs în campania Organovo într-una dintre postările mele anterioare. Cu toate acestea, aceasta nu este singura tehnologie pentru crearea de organe artificiale din celule. Pentru a fi corect, există și altele care merită luate în considerare. Până acum, toate sunt departe de aplicarea în masă, dar faptul că se desfășoară astfel de lucrări este încurajator și ne dă speranța că cel puțin o linie de organe artificiale va avea succes.

Prima este dezvoltarea oamenilor de știință americani Vladimir Mironov de la universitate medicala Carolina de Sud (Universitatea de Medicină din Carolina de Sud) și Thomas Boland de la Universitatea Clemson. Cercetarea a fost începută pentru prima dată de dr. Boland, care a venit cu ideea și a început cercetările în laboratorul său, și l-a atras pe colegul său.

Împreună, folosind o imprimantă, au reușit să implementeze tehnologia de depunere a celulelor strat cu strat. Pentru experiment au fost folosite imprimante vechi Hewlett-Packard - modele vechi au fost folosite deoarece cartușele lor aveau găuri suficient de mari pentru a nu deteriora celulele. Cartușele au fost curățate cu grijă de cerneală, iar în loc de cerneală au fost umplute cu masă celulară. De asemenea, a trebuit să reproiectăm ușor imprimanta și să creăm software pentru a controla temperatura, rezistența electrică și vâscozitatea „cernelii active”.

Alți oameni de știință au încercat anterior să aplice celule pe un plan strat cu strat, dar aceștia au fost primii care au putut face acest lucru folosind o imprimantă cu jet de cerneală.

Oamenii de știință nu se vor opri la atragerea celulelor într-un avion.

Pentru a imprima un organ tridimensional, se propune utilizarea unui gel exotic termoreversibil (sau „termoreversibil”), creat recent de Anna Gutowska de la Laboratorul Național Pacific Northwest, ca adeziv pentru conectarea celulelor.

Acest gel este lichid la 20 de grade Celsius si se intareste la temperaturi mai mari de 32 de grade. Și, din fericire, nu este dăunător țesuturilor biologice.

La imprimare, un singur strat de celule și straturi de gel sunt depuse pe un substrat de sticlă (vezi Figura 1). Dacă straturile sunt suficient de subțiri, celulele cresc împreună. Gelul nu interferează cu fuziunea celulară și, în același timp, conferă structurii rezistență până când celulele cresc împreună. După care gelul poate fi îndepărtat ușor cu apă.

Echipa a efectuat deja mai multe experimente folosind ușor disponibile culturi celulare, un tip de celulă ovariană de hamster.

Potrivit autorilor, imprimarea tridimensională poate rezolva problema creării de noi organe pentru medicină care să le înlocuiască pe cele deteriorate sau organele în creștere pentru experimente biologice. Cel mai probabil, tehnologia de creștere a unor suprafețe mari de piele pentru tratarea persoanelor afectate de arsuri va fi prima utilizată în masă. Deoarece celulele inițiale pentru cultivarea „cernelii vie” vor fi luate de la pacient însuși, deci nu ar trebui să existe o problemă cu respingerea.

De asemenea, rețineți că creșterea tradițională a organelor poate dura câteva săptămâni - astfel încât pacientul nu poate aștepta organul dorit. Când un organ este transplantat de la o altă persoană, de obicei, doar fiecare a zecea persoană reușește să-și aștepte rândul pentru organ; restul mor. Dar tehnologia de bioprintare, având suficiente celule, poate dura doar câteva ore pentru a construi un organ.

În timpul tipăririi, probleme precum alimentarea organului artificial vor trebui abordate. Evident, imprimanta trebuie să imprime un organ cu toate vasele și capilarele, prin care ar trebui să fie furnizate nutrienți în timpul procesului de imprimare (totuși, după cum au arătat experimentele lui Gabor Forgacs, cel puțin unele organe sunt capabile să formeze capilare de la sine) . De asemenea, organul trebuie imprimat în cel mult câteva ore - prin urmare, pentru a crește rezistența atașamentelor celulare, se propune adăugarea proteinei de colagen la soluția de legare.

Potrivit oamenilor de știință, bioimprimantele vor apărea în clinici în câțiva ani. Perspectivele care se deschid sunt enorme.

Pentru imprimare folosind această tehnologie organ complex constând dintr-un număr mare de celule, sunt necesare cartușe cu o mare varietate de cerneluri. Cu toate acestea, Dr. Phil Campbell și colegii săi de la Universitatea Carnegie Mellon din America, în special profesorul de robotică Lee Weiss - care experimentează și bioprintarea - au găsit o modalitate de a reduce numărul de tipuri de cerneală fără a afecta organul rezultat.

Pentru a face acest lucru, el a propus utilizarea unei soluții care conține factorul de creștere BMP-2 ca una dintre florile biologice. Ca o altă biocoloră, au fost folosite celule stem obținute din mușchii picioarelor de la șoareci.

În continuare, imprimanta a imprimat patru pătrate cu laturile de 750 de micrometri pe sticlă - în fiecare dintre ele concentrația de hormon de creștere a fost diferită. Celulele stem care s-au găsit în zone cu factori de creștere au început să se transforme în celule țesut osos. Și cu cât concentrația de BMP-2 este mai mare, cu atât „randamentul” celulelor diferențiate este mai mare. Celulele stem care au ajuns în zone curate s-au transformat în celule musculare, de la această cale de dezvoltare celulă stem selectează implicit.

Anterior celule tipuri variate au fost cultivate separat. Dar, potrivit omului de știință, creșterea celulelor împreună face ca această tehnică să fie mai aproape de naturală. "Puteți crea o structură de schelă în care un capăt dezvoltă osul, un alt capăt dezvoltă tendonul, iar celălalt capăt dezvoltă mușchi. Acest lucru vă oferă mai mult control asupra regenerării țesuturilor", spune autorul lucrării. Și vor fi folosite doar două tipuri de cerneală, ceea ce simplifică designul bioimprimantei.

Oamenii de știință din Rusia au devenit, de asemenea, interesați de problema modificărilor controlate în structurile celulare. „Astăzi, există o mulțime de dezvoltări legate de creșterea țesutului din celule stem”, comentează omul de știință Nikolai Adreanov. -- Cele mai bune rezultate oamenii de știință au realizat în creștere tesut epitelial, deoarece celulele sale se divid foarte repede. Și acum cercetătorii încearcă să folosească celule stem pentru a crea fibrele nervoase, ale cărui celule în conditii naturale se recuperează foarte încet.”

De asemenea, conform lui Lee Weiss, cel care a dezvoltat imprimanta, tehnologia lor este încă departe de implementarea industrială. În plus, extinderea cunoștințelor despre biologie nu ar strica. „Pot imprima niște lucruri destul de complexe. Dar probabil unul dintre cei mai mari factori limitativi (pentru această tehnologie) este înțelegerea biologiei. Trebuie să știi exact ce să imprimi”. Alexander Revishchin, candidat la științe biologice, cercetător principal la Institutul de Biologie a Dezvoltării al Academiei Ruse de Științe, subliniază o altă problemă. „În principiu, imprimarea țesuturilor cu „cerneală celulară” este posibilă, dar tehnologia este încă imperfectă”, a remarcat el. „De exemplu, dacă celulele stem sunt transplantate în condiții neobișnuite, aceste celule vor pierde firul dezvoltării naturale și al comunicării cu celulele din jur, ceea ce poate duce la degenerarea lor într-o tumoare”. organ bioimprimator de celule stem

Dar să sperăm că tehnologia va fi dezvoltată în următorii ani.

Oamenii de știință au creat pentru prima dată o himeră om-porc - un articol care descrie acest experiment a fost publicat pe 26 ianuarie în revista științifică Cell. O echipă internațională de oameni de știință condusă de Juan Carlos Izpisua Belmonte, profesor la Institutul Salk pentru Studii Biologice (SUA), a crescut timp de 28 de zile embrioni care conțin celule stem umane la porci. Din cei două mii de embrioni hibrizi, 186 s-au dezvoltat în organisme în care partea umană era unul la zece mii de celule.

Himerele sunt organisme numite după monstrul din mituri grecești, care combină o capră, un leu și un șarpe, se obțin prin combinarea materialului genetic a două animale, dar fără recombinare ADN (adică schimbul de informații genetice care are loc atunci când este conceput un copil). Ca rezultat, himerele au două seturi de celule diferite din punct de vedere genetic, dar funcționează ca întreg organul Schimbare. În experimentul despre care scrie Cell, oamenii de știință au îndepărtat embrionii de la o scroafă gestantă și i-au perfuzat cu celule stem umane induse, după care embrionii au fost trimiși înapoi pentru a se dezvolta în corpul porcului. Himerele nu aveau voie să se nască - au scăpat deja de ele stadiu timpuriu sarcina feminina.

De ce oamenii de știință au nevoie de organisme hibride?

Nișă pentru organe

Unul dintre obiectivele principale ale experimentului este creșterea organelor umane în corpurile animalelor. Unii pacienți așteaptă ani de zile la coadă pentru un transplant, iar crearea de material biologic în acest fel ar putea salva mii de vieți. „Suntem încă departe de asta, dar primul și important pas a fost făcut”, spune Izpisua Belmonte. Un organ uman crescut într-o himeră din celulele proprii ale pacientului ar rezolva problema respingerii transplantului de către corpul pacientului, deoarece ar fi crescut din propriile celule.
Oamenii de știință vor dezvolta organe umane în corpul unui animal folosind editarea genelor (și anume într-un mod inovator CRISPR-Cas9). Inițial, ADN-ul embrionului animal va fi modificat astfel încât să nu dezvolte un organ necesar, cum ar fi inima sau ficatul. Această „nișă” va fi umplută de celule stem umane.

Experimentele arată că aproape orice organ poate fi creat într-o himeră - chiar și unul care nu este prevăzut la un animal de experiment. Un alt experiment al aceluiași grup de oameni de știință a arătat că injectarea de celule stem de șobolan în corpul șoarecelui le permite să crească o vezică biliară, deși șoarecii nu au acest organ evolutiv.

În 2010, oamenii de știință japonezi au creat un pancreas de șobolan în același mod. Echipa lui Izpisua Belmonte a reușit să crească o inimă și ochi de șobolan în corpul unui șoarece. Pe 25 ianuarie, unul dintre colegii săi a raportat într-un articol din revista Nature că grupul său a reușit să efectueze experimentul invers - creșterea pancreasului unui șoarece la un șobolan și transplantarea cu succes a acestuia. Organul a funcționat corect timp de mai bine de un an.

O condiție importantă pentru succesul experimentelor cu himere este raportul corect mărimea organismelor care sunt conectate. De exemplu, oamenii de știință au încercat anterior să creeze himere de porci și șobolani, dar experimentul nu a avut succes. Mult mai compatibili sunt oamenii, vacile și porcii. Echipa lui Izpisua Belmonte a ales să folosească porcii pentru a crea himera umană pur și simplu pentru că sunt mai ieftin de folosit decât vacile.

Hibrizi printre noi

Istoria a cunoscut cazuri de transplant de anumite părți ale corpului de la animale, inclusiv porci, la oameni înainte. În secolul al XIX-lea, medicul american Richard Kissam a transplantat cu succes o cornee de la un porc de șase luni într-un tânăr. Dar crearea cu drepturi depline a himerelor a început în anii 1960, când savantul american Beatrice Mintz a obținut primul organism hibrid în laborator prin combinarea celulelor a două specii diferite de șoareci - alb și negru. Puțin mai târziu, un alt om de știință francez, Nicole le Doirin, a conectat straturile germinative ale unui embrion de pui și prepeliță și în 1973 a publicat o lucrare despre dezvoltarea unui organism hibrid. În 1988, Irving Weisman de la Universitatea Stanford a creat un șoarece cu sistem imunitar uman (pentru cercetarea SIDA) și, ulterior, a implantat celule stem umane în creierul șoarecilor pentru cercetare în neurobiologie. În 2012 s-au născut primele himere de primate: în Centrul NaționalÎntr-un studiu pe primate din Oregon, oamenii de știință au creat macaci care conțin șase ADN-uri diferite.

Mai mult, istoria cunoaște deja cazuri de oameni-himere, deși societatea nu le numește astfel și ei înșiși poate să nu fie conștienți de acest lucru. În 2002, rezidenta din Boston, Karen Keegan, a murit test genetic pentru a determina dacă poate primi un rinichi de la una dintre rudele ei. Testele au arătat imposibilul: ADN-ul pacientului nu se potrivea cu ADN-ul fiilor ei biologici. S-a dovedit că Keegan avea himerism congenital, care se dezvoltă într-un embrion ca urmare a unei defecțiuni în procesul de fertilizare: corpul ei conținea două seturi genetice, unul în celule sanguine, celălalt în celule din țesuturile corpului ei.

Formal, o persoană care a primit un transplant străin poate fi numită și himeră. Măduvă osoasă, - de exemplu, în tratamentul leucemiei. În unele cazuri, în sângele unui astfel de pacient pot fi găsite celule atât cu ADN-ul său original, cât și cu ADN-ul donatorului. Un alt exemplu este așa-numitul microchimerism. În corpul unei femei însărcinate, se poate observa mișcarea celulelor stem fetale care își transportă genomul în organele viitoarei mame - rinichi, ficat, plămâni, inimă și chiar creier. Oamenii de știință sugerează că acest lucru se poate întâmpla în aproape fiecare sarcină și astfel de celule pot rămâne într-un loc nou de-a lungul vieții unei femei.

Dar în toate aceste cazuri, himerele se formează (în mod natural sau nu) din două persoane. Un alt lucru este combinația dintre o persoană și un animal. Transplantul de țesut de la animale la oameni îi poate face vulnerabili la noi boli, motiv pentru care noi sistemul imunitar nu e gata. Mulți se sperie și de posibilitatea de a înzestra animalele cu calități umane, chiar ridicând nivelul de conștiință. Oamenii de știință încearcă să asigure publicul și autoritățile că astfel de experimente vor fi strict controlate de laboratoare și folosite numai pentru bine. Institutul Național de Sănătate din SUA (NIH) nu a finanțat niciodată astfel de dezvoltări, invocând lipsa de etică a acestora. Dar în august 2016, oficialii NIH au spus că ar putea reconsidera moratoriul (o decizie nu a fost încă luată).

Spre deosebire de NIH, armata americană finanțează cu generozitate astfel de experimente. Proiectul său himer, care a implicat creșterea unui porc cu o inimă de la un alt porc, a primit recent o subvenție militară de 1,4 milioane de dolari pentru a experimenta creșterea unei inimi umane la un porc, potrivit cardiologului Daniel Garry de la Universitatea din Minnesota.

Înainte de a începe să discut despre subiectul articolului, vreau să fac mica excursie, care este corpul uman. Acest lucru vă va ajuta să înțelegeți cât de importantă este munca oricărei legături într-un sistem complex. corpul uman, ce se poate întâmpla dacă există un eșec și modul în care medicina modernă încearcă să rezolve problemele dacă vreun organ cedează.

Corpul uman ca sistem biologic

Corpul uman este un sistem biologic complex care are o structură specială și este dotat cu funcții specifice. În cadrul acestui sistem există mai multe niveluri de organizare. Cea mai înaltă integrare este nivelul organismului. Mai descrescătoare sunt nivelurile de organizare sistemică, de organ, țesut, celular și molecular. De lucrul coordonat la toate nivelurile sistemului depinde muncă armonioasăîntregul corp uman.
Dacă un anumit organ sau sistem de organe nu funcționează corect, atunci încălcările afectează mai mult niveluri inferioare organizații precum țesuturile și celulele.

Nivelul molecular– aceasta este prima cărămidă. După cum sugerează și numele, întregul corp uman, ca toate ființele vii, este format din nenumărate molecule.

Nivelul celular poate fi imaginat ca compoziția componentelor diverse a moleculelor care formează celule diferite.

Celulele unite în țesuturi de morfologie și funcționare diferite formează nivelul de țesut.

Organele umane conțin o varietate de țesuturi. Ele asigură funcționarea normală a oricărui organ. Acesta este nivelul organului de organizare.

Nivelul următor organizare – sistemică. Anumite organe unite anatomic îndeplinesc o funcție mai complexă. De exemplu, sistem digestiv, constând din diverse organe, asigura digestia alimentelor care intra in organism, absorbtia produselor digestive si indepartarea reziduurilor nefolosite.
Iar cel mai înalt nivel de organizare este nivelul organismic. Toate sistemele și subsistemele corpului funcționează ca un bine reglat instrument muzical. Munca coordonată la toate nivelurile este realizată datorită mecanismului de autoreglare, adică. susținerea la un anumit nivel a diverșilor indicatori biologici. La cel mai mic dezechilibru în funcționarea oricărui nivel, corpul uman începe să lucreze intermitent.

Ce sunt celulele stem?

Termenul „celule stem” a fost introdus în știință de histologul rus A. Maksimov în 1908. Celulele stem (SC) sunt celule nespecializate. Ele sunt încă considerate celule imature. Sunt prezente în aproape toate organismele multicelulare, inclusiv în oameni. Celulele se reproduc prin divizare. Ele sunt capabile să se transforme în celule specializate, de exemplu. Din ele se pot forma diverse țesuturi și organe.

Cel mai un numar mare de KS la sugari și copii; în adolescență, numărul de celule stem din organism scade de 10 ori și varsta matura- De 50 de ori! O scădere semnificativă a numărului de SC în timpul îmbătrânirii, precum și boală gravă reduce capacitatea organismului de a se vindeca singur. Acest lucru duce la o concluzie neplăcută: activitatea de viață a multora sisteme importante organe scade.

Celulele stem și viitorul medicinei

Oamenii de știință medicali au acordat de multă atenție plasticității SC-urilor și posibilității teoretice de a crește diferite țesuturi și organe ale corpului uman din ele. Lucrările privind studierea proprietăților SC au început în a doua jumătate a secolului trecut. Ca întotdeauna, primele studii au fost efectuate pe animale de laborator. Până la începutul acestui secol, au început încercările de a utiliza SC pentru creșterea țesuturilor și organelor umane. As vrea sa va povestesc despre cele mai interesante rezultate in aceasta directie.

Oamenii de știință japonezi au reușit în 2004 să crească celule capilare în condiții de laborator. vase de sânge din SK.

În anul următor, cercetătorii americani de la Universitatea de Stat din Florida au reușit să crească celule cerebrale din SC. Oamenii de știință au spus că astfel de celule pot fi implantate în creier și ar putea fi folosite pentru a trata boli precum Parkinson și Alzheimer.

În 2006, oamenii de știință elvețieni de la Universitatea din Zurich au crescut valve cardiace umane în laboratorul lor. Pentru acest experiment, au fost utilizate SC din lichidul amniotic. Dr. S. Hoerstrap crede că tehnica ar putea fi folosită pentru a crește valvele cardiace pentru un copil nenăscut care are defecte cardiace. După naștere, copilul poate primi valve noi crescute din celulele stem din lichidul amniotic.

În același an, medicii americani au crescut un organ întreg în laborator - vezica urinara. SC au fost luate de la persoana pentru care a fost crescut acest organ. Dr. E. Atala, directorul Institutului de Medicina Regenerativa, a spus ca celulele si substantele speciale sunt plasate in formă specială, care rămâne în incubator câteva săptămâni. După aceasta, organul finit este transplantat în pacient. Astfel de operațiuni sunt acum efectuate ca de obicei.

În 2007, la un simpozion medical internațional de la Yokahama, specialiști japonezi de la Universitatea din Tokyo au prezentat un raport despre un experiment științific uimitor. Dintr-o singură celulă stem prelevată din cornee și plasată într-un mediu nutritiv, a fost posibil să crească o nouă cornee. Oamenii de știință intenționau să înceapă studii clinice și să utilizeze în continuare această tehnologie în tratamentul ochilor.

Japonezii sunt liderii în creșterea unui dinte dintr-o singură celulă. SC a fost transplantat pe o schelă de colagen și experimentul a început. După creștere, dintele arăta ca unul natural și avea toate componentele sale, inclusiv dentina, vasele de sânge, smalțul etc. Dintele a fost transplantat într-un șoarece de laborator, a prins rădăcini și a funcționat normal. Oamenii de știință japonezi văd perspective mari pentru utilizarea acestei metode în creșterea unui dinte dintr-un SC și apoi transplantarea celulei în proprietarul său.

Medicii japonezi de la Universitatea din Kyoto au reușit să obțină țesut renal și suprarenal și un fragment dintr-un tub renal din SC.

În fiecare an, milioane de oameni din întreaga lume mor din cauza bolilor inimii, creierului, rinichilor, ficatului, distrofie musculara etc. Celulele stem pot ajuta la tratarea acestora. Cu toate acestea, există un punct care poate încetini utilizarea celulelor stem în practică medicală este lipsa internaţională cadru legislativ: de unde poate fi luat materialul, cât timp poate fi păstrat, cum ar trebui să interacționeze pacientul și medicul său atunci când utilizează SC.

Probabil, desfășurarea experimentelor medicale și dezvoltarea unei astfel de legi ar trebui să meargă în paralel.

) tehnologia nu este folosită pe oameni, dar dezvoltarea și experimentarea activă sunt în curs de desfășurare în acest domeniu. Potrivit directorului Centrului Științific Federal pentru Transplantologie și Organe Artificiale, numit după Shumakov, profesorul Serghei Gauthier, organele în creștere vor deveni disponibile în 10-15 ani.

Situatie

Ideea creșterii artificiale a organelor umane nu a părăsit oamenii de știință de mai bine de jumătate de secol, de când organele donatoare au început să fie transplantate în oameni. Chiar dacă este posibil să se transplanteze majoritatea organelor la pacienți, problema donării este în prezent foarte presantă. Mulți pacienți mor fără să-și primească organul. Cultivare artificială organele pot salva milioane de vieți umane. Unele progrese în această direcție au fost deja realizate folosind metode de medicină regenerativă.

Vezi si

Note

Fundația Wikimedia. 2010.

Vedeți ce înseamnă „Cultivarea organelor” în alte dicționare:

Cultură de celule epiteliale colorate. În imagine sunt cheratina (roșu) și ADN (verde) Cultura celulară este un proces prin care celulele individuale (sau o singură celulă) in vitro ... Wikipedia

Conține unele dintre cele mai remarcabile evenimente actuale, realizări și inovații în diverse domenii tehnologie moderna. Noile tehnologii sunt acele inovații tehnice care reprezintă schimbări progresive în domeniu... ... Wikipedia

Pregătirea pentru crionică Crionica (din greacă κρύος frig, îngheț) este practica de a păstra corpul uman sau capul/creierul într-o stare de adâncime ... Wikipedia

2007 – 2008 2009 2010 – 2011 Vezi și: Alte evenimente în 2009 2009 Anul Internațional astronomie (UNESCO). Cuprins... Wikipedia

Dicționar medical mare

Crescând cu. X. culturile în condiţii de irigare. Unul dintre cele mai intensive tipuri de agricultură, dezvoltat în zonele deșertice, semidesertice și aride, precum și în zonele insuficient aprovizionate cu umiditate în anumite sezoane de vegetație. ÎN… …

Cultivarea plantelor în absența microorganismelor într-un mediu care înconjoară întreaga plantă sau (mai des) doar rădăcinile acesteia (sterilitatea întregii plante nu poate fi asigurată decât într-un vas închis, unde este dificil să se mențină necesarul... .. . Marea Enciclopedie Sovietică

Creșterea microorganismelor, celulelor animale și vegetale, țesuturilor sau organelor în condiții artificiale... Enciclopedie medicală

Grâu- (Grâul) Grâul este o cultură de cereale răspândită Concept, clasificare, valoare și proprietăți nutriționale ale soiurilor de grâu Cuprins >>>>>>>>>>>>>>> ... Enciclopedia investitorilor

Europa- (Europa) Europa este o parte a lumii dens populată, foarte urbanizată, numită după o zeiță mitologică, formând împreună cu Asia continentul Eurasiei și având o suprafață de aproximativ 10,5 milioane km² (aproximativ 2% din suprafața totală a Pământul) și... Enciclopedia investitorilor

Cărți

• Boli ale păsărilor domestice și de fermă. În 3 volume, . Cartea „Bolile păsărilor domestice și de fermă” este o traducere a celei de-a zecea ediții, extinsă și revizuită a manualului privind bolile păsărilor, în pregătirea căreia...
• Bolile păsărilor domestice și de fermă (număr de volume: 3), Kalnek B.U.. Cartea „Bolile păsărilor domestice și de fermă” este o traducere a celei de-a zecea ediții, extinsă și revizuită a manualului privind bolile păsărilor, în pregătirea pe care l-au luat...